CN105186143B - 三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵 - Google Patents
三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，包括2N个天线单元、2N个单刀单掷开关、一个开关控制电路、个三通道选择器、2N个双工器、2N个相位共轭混频器、2N个移相器、一个2N路功率分配器、一个2N路功率合成器、一个本振源和一个接收机，N为正整数；开关控制电路控制所有单刀单掷开关周期性通断。本发明既满足了天线***多个工作频段的要求，又减小了多个阵列天线对天线空间的要求，具有重构简单、复杂度低和精确度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于天线工程技术领域，特别是一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵。
背景技术
随着通信与雷达技术的迅速发展，各种电子***对天线***提出了越来越苛刻的要求，使得多功能、高性能、低成本、小型化的天线***越来越受关注。时间调制天线阵是指在常规天线阵设计中引入时间变量，通过接入阵元中的高速射频开关按照预定的开关工作时序去控制每一个天线单元的工作状态，使天线阵的口径尺寸随时间变化，即具有时间调制特性。时间调制天线阵将空间阵元的幅度和相位加权通过时间加权的方式实现，简化了馈电网络结构以及降低了馈电复杂度，同时由于时间调制天线阵的时间调制特性，具有许多特有的辐射特性，可以满足当代对高性能、低成本天线***的要求。近年来，国内外学者展开了对时间调制天线阵的广泛研究，一方面研究采用新颖的时间序列和改进的优化算法来抑制边带效应实现低副瓣方向图综合，另一方面研究利用时间调制天线阵的多边带特性实现波束扫描、自适应波束形成、以及单脉冲测向等功能。时间调制天线阵由于增加了常规天线阵的设计自由度，使其在现代无线***中有着广泛的应用前景。
方向回溯天线是一种具有自跟踪波束扫描特性的智能天线，它能够自动跟踪来波方向，而不需要来波方向的先验知识和复杂的数字信号处理算法。方向回溯阵列的两种主要实现方式为范阿塔天线阵和相位共轭天线阵。范阿塔天线阵由成对的阵列单元组成，单元天线关于几何中心对称排列，天线单元对用等长的传输线连接。范阿塔天线阵设计简单且经济成本低，但只适用于平面入射波和平面结构情况。相位共轭天线阵利用外差混频的技术来完成相位共轭从而实现方向回溯功能，其相位共轭技术是波前重构，每个天线单元单独实现相位共轭而不依赖于天线对，这一特点使其适用于非平面入射波和非平面结构情况。方向回溯阵列天线具有快速跟踪和高性价比的特点，在通信和雷达领域具有广泛的应用前景。
由上可知，现有天线***只能实现时间调制或者方向回溯单一功能，无法在同一天线阵列中实现时间调制、方向回溯和时间调制方向回溯三功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，包括2N个天线单元、2N个单刀单掷开关、一个开关控制电路、个三通道选择器、2N个双工器、2N个相位共轭混频器、2N个移相器、一个2N路功率分配器、一个2N路功率合成器、一个本振源和一个接收机，N为正整数；
每个天线单元与一个对应的单刀单掷开关相连，所述开关控制电路与所有的单刀单掷开关相连，控制单刀单掷开关周期性通断；
当N＝1，两个单刀单掷开关与三通道选择器的两个输入端相连，三通道选择器的两个输出端分别与两个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别与相位共轭混频器和移相器相连，两个相位共轭混频器与二路功率分配器相连，二路功率分配器与本振源相连；两个移相器与二路功率合成器相连，二路功率合成器与接收机相连；
当N≥2，个三通道选择器为N层排列，第1～N层的三通道选择器数量分别为1～N个，相邻两层的较上一层三通道选择器的两个输出端分别与较下一层两个不同的三通道选择器的输入端相连，每层三通道选择器空出的两个输入端分别与两个单刀三掷开关的第二导通通道相连，第N层三通道选择器的2N个输出端分别与2N个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别与相位共轭混频器和移相器相连，2N个相位共轭混频器与2N路功率分配器相连，2N路功率分配器与本振源相连；2N个移相器与2N路功率合成器相连，2N路功率合成器与接收机相连；
当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关处于周期性通断状态时，实现不同工作频率上的时间调制天线阵功能、时间调制范阿塔天线阵功能和时间调制相位共轭天线阵功能；当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关一直处于导通状态时，实现不同工作频率上的均匀线阵功能、范阿塔天线阵功能、相位共轭天线阵功能。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)本发明通过时间调制技术和方向回溯技术实现三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，具有多频多功能特点，既满足了天线***多个工作频段的要求，又减小了多个阵列天线对天线空间的要求，实现了天线***的多频化、多功能化、小型化和智能化。
(2)本发明通过控制时间序列实现了在三频三功能时间调制共孔径天线阵和三频三功能非时间调制共孔径天线阵之间的自由切换，具有重构简单、复杂度低和精确度高等优点。
(3)本发明采用一个天线阵***实现了时间调制天线阵功能、时间调制范阿塔天线阵功能和时间调制相位共轭天线阵功能，以及均匀线阵功能、范阿塔天线阵功能和相位共轭天线阵功能。
(4)本发明中的时间调制范阿塔天线阵和时间调制相位共轭天线阵采用时间调制技术实现天线单元的幅度加权，得到了低副瓣回溯远场，具有高性能、高精度和低成本等特点。
附图说明
图1为本发明的三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵的结构图。
图2为本发明实施例中三通道选择器在频率fRF1、fRF2和fRF3的传输原理图。
图3为本发明实施例中双工器在频率fRF1和fRF3的传输原理图。
图4为本发明实施例中工作在频率fRF1时的相位关系图，其中(θ1,θ2,θ3,θ4)为相位补偿线段的不同电长度，kH＝fRF1/fRF3。
图5为本发明实施例中工作在频率fRF2时的相位关系图，其中kM＝fRF2/fRF3。
图6为本发明实施例中工作在频率fRF3时的相位关系图。
图7为本发明实施例中的两种开关时序图，其中黑色阴影部分表示开关处于导通状态。
图8为本发明实施例中基于时间序列I工作在三频三功能时间调制模式时的方向图。
图9为本发明实施例中基于时间序列II工作在三频三功能非时间调制模式时的方向图。
具体实施方式
本发明的一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，包括2N个天线单元、2N个单刀单掷开关、一个开关控制电路、个三通道选择器、2N个双工器、2N个相位共轭混频器、2N个移相器、一个2N路功率分配器、一个2N路功率合成器、一个本振源和一个接收机，N为正整数；
每个天线单元与一个对应的单刀单掷开关相连，所述开关控制电路与所有的单刀单掷开关相连，控制单刀单掷开关周期性通断；
当N＝1，两个单刀单掷开关与三通道选择器的两个输入端相连，三通道选择器的两个输出端分别与两个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别与相位共轭混频器和移相器相连，两个相位共轭混频器与二路功率分配器相连，二路功率分配器与本振源相连；两个移相器与二路功率合成器相连，二路功率合成器与接收机相连；
当N≥2，个三通道选择器为N层排列，第1～N层的三通道选择器数量分别为1～N个，相邻两层的较上一层三通道选择器的两个输出端分别与较下一层两个不同的三通道选择器的输入端相连，每层三通道选择器空出的两个输入端分别与两个单刀三掷开关的第二导通通道相连，第N层三通道选择器的2N个输出端分别与2N个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别与相位共轭混频器和移相器相连，2N个相位共轭混频器与2N路功率分配器相连，2N路功率分配器与本振源相连；2N个移相器与2N路功率合成器相连，2N路功率合成器与接收机相连；
当开关控制电路控制四个单刀单掷开关处于周期性通断状态时，实现不同工作频率上的时间调制天线阵功能、时间调制范阿塔天线阵功能和时间调制相位共轭天线阵功能；当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关一直处于导通状态时，实现不同工作频率上的均匀线阵功能、范阿塔天线阵功能、相位共轭天线阵功能。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例
结合图1，一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，包括四个天线单元1、四个单刀单掷开关2、一个开关控制电路3、三个三通道选择器4、四个双工器5、四个相位共轭混频器6、四个移相器7、一个四路功率分配器8、一个四路功率合成器9、一个本振源10和一个接收机11；
四个天线单元分别与四个单刀单掷开关相连，阵列中间两个单刀单掷开关与一个三通道选择器的两个输入端相连，三通道选择器的两个输出端分别与其他两个三通道选择器的一个输入端相连，这两个三通道选择器的另一个输入端与阵列外面两个单刀单掷开关相连，这两个三通道选择器的四个输出端与四个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别连接一个相位共轭混频器和一个移相器，四个相位共轭混频器与一个四路功率分配器相连，该四路功率分配器与本振源相连，四个移相器与一个四路功率合成器相连，该四路功率合成器与一个接收机相连。开关控制电路控制四个单刀单掷开关的通断，当开关控制电路控制四个单刀单掷开关处于周期性通断状态时，实现不同工作频率上的时间调制天线阵功能、时间调制范阿塔天线阵功能和时间调制相位共轭天线阵功能；当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关一直处于导通状态时，实现不同工作频率上的均匀线阵功能、范阿塔天线阵功能、相位共轭天线阵功能。本实施工作在中心频率fRF1＝3.55GHz、fRF2＝1.85GHz和fRF3＝0.7GHz，时间调制周期为Tp＝100KHz；天线单元1采用宽带八木天线。
结合图2，三通道选择器4是在中心频率fRF1、fRF2和fRF3具有不同的传输特性(参见文献1：C.-H.Lai,C.-Y.Shiau,and T.-G.Ma,“Microwave three-channel selector usingtri-mode synthesized transmission lines,”IEEE Trans.Microw.Theory Techn.,vol.61,no.10,pp.3529-3540,Oct.2013)：当工作在中心频率fRF1，它等同于一对串行的50Ω延迟线(电长度为θTH＝-21°)；当工作在中心频率fRF2，它等同于一对并行的50Ω延迟线(电长度为θTM＝102.4°)；当工作在中心频率fRF3，它等同于传统的交叉器(电长度为θTL＝84.3°)。
如图3所示，双工器5用于分离两个不同频率fRF1和fRF3的传输信号(参见文献2：C.-H.Wu,C.-Y.Shiau,and T.-G.Ma,“Tri-mode heterogeneous integrated beam-switching/Van Atta/phase-conjugating array using synthesized transmissionlines,”IEEE Trans.Microw.TheoryTechn.,vol.62,no.9,pp.2180-2191,Sep.2014)。图4、图5和图6分别给出了工作在中心频率fRF1、fRF2和fRF3时的相位关系图，其中(θ1,θ2,θ3,θ4)表示相位补偿线段的不同电长度，所用补偿线段在中心频率fRF3时的特征阻抗为50Ω。下表为本实施例的工作原理：
表中tn和τn为归一化导通时刻和归一化导通持续时间，计算得到的θ1、θ2、θ3和θ4的值分别为111°，123.2°，41.5°和49.6°；因此，时间调制天线阵和均匀线阵的辐射远场为：
其中，β1＝2πfRF1/c为自由空间中的波数，d天线单元1之间的间距，φn表示移相器的相位加权，在本实施例中φn＝0。时间调制范阿塔天线阵和范阿塔天线阵的回溯远场为：
其中，β2＝2πfRF2/c为自由空间中的波数，θi和θr为来波信号方向和回溯信号方向。时间调制相位共轭天线阵和相位天线阵的回溯远场为：
其中，β3＝2πfRF3/c为自由空间中的波数。因为Un(t)是周期时间调制信号函数，则由傅里叶级数可知其存在一个直流分量τn和多个谐波分量，直流分量即为时间加权用于实现了天线单元1的幅度加权，而时间调制阵列天线产生的谐波信号可由滤波器滤除。因此时间调制天线阵在中心频率fRF1的辐射远场为：
时间调制范阿塔天线阵在中心频率fRF2的回溯远场为：
时间调制相位共轭天线阵在中心频率fRF3的回溯远场为：
图7给出了两种开关时序图(时间序列I和时间序列II)，其中黑色阴影部分表示开关处于导通状态；时间序列I为本实施例中工作在三频三功能时间调制模式时的天线单元1的控制时序，图8为基于该时间序列计算得到的方向图，包括时间调制天线阵中心频率处的远场方向图(副瓣电平为-26.22dB)、时间调制范阿塔天线阵在来波方向18°中心频率处的双站方向图(副瓣电平为-21.23dB)和时间调制相位共轭天线阵在来波方向18°中心频率处的双站方向图(副瓣电平为-21.23dB)；时间序列II为本实施例中工作在三频三功能非时间调制模式时的天线单元1的控制时序，图9为基于该时间序列计算得到的方向图，包括均匀线阵中心频率处的远场方向图(副瓣电平为-15.54dB)、范阿塔天线阵在来波方向18°中心频率处的双站方向图(副瓣电平为-11.43dB)和相位共轭天线阵在来波方向18°中心频率处的双站方向图(副瓣电平为-11.43dB)。对比图8和图9可发现本发明中提出的时间调制范阿塔天线阵和时间调制相位共轭天线阵采用时间调制技术实现了低副瓣双站方向图。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制；工程技术人员可根据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以根据以上所述对实施方案做一系列的变更；上述这些都应被视为本发明的涉及范围。
Claims (2)
1.一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，其特征在于，包括2N个天线单元、2N个单刀单掷开关、一个开关控制电路、个三通道选择器、2N个双工器、2N个相位共轭混频器、2N个移相器、一个2N路功率分配器、一个2N路功率合成器、一个本振源和一个接收机，N为正整数；
每个天线单元与一个对应的单刀单掷开关相连，所述开关控制电路与所有的单刀单掷开关相连，控制单刀单掷开关周期性通断；
当N＝1，两个单刀单掷开关与三通道选择器的两个输入端相连，三通道选择器的两个输出端分别与两个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别与相位共轭混频器和移相器相连，两个相位共轭混频器与二路功率分配器相连，二路功率分配器与本振源相连；两个移相器与二路功率合成器相连，二路功率合成器与接收机相连；
当N≥2，个三通道选择器为N层排列，第1～N层的三通道选择器数量分别为1～N个，相邻两层的较上一层三通道选择器的两个输出端分别与较下一层两个不同的三通道选择器的输入端相连，每层三通道选择器空出的两个输入端分别与两个单刀三掷开关的第二导通通道相连，第N层三通道选择器的2N个输出端分别与2N个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别与相位共轭混频器和移相器相连，2N个相位共轭混频器与2N路功率分配器相连，2N路功率分配器与本振源相连；2N个移相器与2N路功率合成器相连，2N路功率合成器与接收机相连；三通道选择器的三种传输方式对应三种工作频率；双工器用于分离其中两个频率的传输信号，分别对应均匀线阵功能和相位共轭天线阵功能；
当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关处于周期性通断状态时，实现不同工作频率上的时间调制天线阵功能、时间调制范阿塔天线阵功能和时间调制相位共轭天线阵功能；当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关一直处于导通状态时，实现不同工作频率上的均匀线阵功能、范阿塔天线阵功能和相位共轭天线阵功能。
2.根据权利要求1所述的三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，其特征在于，所述天线单元的开关控制函数为：
其中，Tp为开关控制电路的时间调制周期，tn和τn为归一化导通时刻和归一化导通持续时间。
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Granted publication date: 20180309 Termination date: 20210630 |
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