CN114047500B - 一种大规模频控阵非线性频偏产生电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大规模频控阵非线性频偏产生电路，通过控制移相器输出信号时变，将移相器产生的相位差转变为频偏，从而实现频控阵信号的频偏设计，而移相器入出信号的时变特性是可控的，可通过控制移相器输出信号非线性时变，进而实现频控阵信号的非线性频偏设计。通过功率分配器将频率合成器产生的信号分为多路，分别输出至多路并行的移相器，相对于传统的多路频率合成电路，该电路大幅度节约了硬件成本，多路并行移相器也大大提高了各路频偏的灵活性，其输出的多路信号具有相参性、频率灵活可调等特点，广泛适用于各种应用对频率源的要求。

Description

一种大规模频控阵非线性频偏产生电路
技术领域
本发明属于频率合成技术领域，更为具体地讲，涉及一种大规模频控阵非线性频偏产生电路。
背景技术
频控阵非线性频偏产生技术是指通过控制频控阵各阵元移相器的产生时变特性的方式来达到非线性改变信号频率的目的，对于各阵元而言，可以通过对移相器进行控制，使移相器输出信号相位差产生时变特性，从而获得多路非线性频偏的频控阵信号，这对于需要多种不同频率分量信号的雷达应用来说，是非常好的一个优点。
频控阵雷达技术是近年来提出的一种新体制阵列雷达技术。与传统的相控阵只形成方位角依赖性的发射波束不同，频控阵通过在阵元间采用一个小频差来实现波束的自动扫描功能。频控阵能够形成具有距离依赖性和时变性的发射波束，克服了传统相控阵阵列因子不包含距离和时间变量的缺点，因而带来很多独特的应用优势。大规模频控阵可广泛的运用于军事和5G领域，然而随着频控阵发射阵元的增多，若各路阵元都采用独立的频率合成技术，则成本过高。引入频率复用器和可控时变移相器阵列，只需生成单路频率信号，通过频率复用器将其分成多路信号，再通过可控时变移相器阵列即可得到多路信号，这样既能解决多路信号产生的问题，又能简化频控阵频率源结构，节约成本，同时还可继承单路频率合成技术的优良信号特性，也能保证多路信号之间的相位相参性。
频控阵发射的是频率不同的信号，并且其信号特点是频控阵阵列发射出的信号具有相同的载频，但是每个阵元发射出的信号都附加了很小的频偏(频率偏移量远远小于其载频信号)。从数学和物理学角度来讲，瞬时相位是频率在时域的积分，频率是瞬时相位在时域的微分。结合频控阵信号特点与上述物理特性，只需在控制各路信号移相器产生非线性时变特性，即可获得非线性频偏。
频控阵各阵元采用不同的发射信号载频，各阵元间的频偏导致阵列发射波束方向图随频偏的变化而变化。而常规的频控阵频偏大多是固定的，即各阵元之间的频偏是线性变化的。线性频偏使频控阵发射波束方向图相对固定，缺少变化。可控时变移相器阵列产生的频偏与外部控制的时变特性相关，通过控制移相器阵列的时变特性，即可获得非线性频偏。结合频控阵频偏与阵列发射波束方向图之间的关系，即可获得更为灵活多变的阵列发射波束方向图。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种大规模频控阵非线性频偏产生电路，通过控制移相器的时变产生非线性频偏，同时解决输出信号间相位参考性的问题，且结构简单。
为实现上述发明目的，本发明一种大规模频控阵非线性频偏产生电路，其特征在于，包括：频率合成器、功率分配器、可控时变移相器阵列和频偏控制模块；
所述频率合成器对参考信号x(t)进行频率合成，再将频率合成后的信号x'(t)输出至功率分配器；
所述功率分配器将信号x'(t)分为多路输出信号x1(t),x2(t),…,xn(t)，其输出的信号路数与可控时变移相器阵列中移相器的数目一致，最后将每一路分别输入至对应移相器；
所述的可控时变移相器阵列由n个结构相同且并行的移相器组成，每个移相器的时变特性由频偏控制模块决定；
所述频偏控制模块用于控制每个移相器移相后的信号根据时变特性进行信号时变，进而得到非线性频偏；
设参考信号x(t)的频率为f0，频率合成器参数为r，频偏控制模块频率为finc，时变特性为G(t)；那么频率合成器对参考信号x(t)进行频率合成后，得到频率为rf0的信号x'(t)，再输入至功率分配器；功率分配器将信号x'(t)分为多路输出信号x1(t),x2(t),…,xn(t)后输入至可控时变移相器阵列，在可控时变移相器阵列中，每个移相器对输入信号进行移相，产生相位差
Figure SMS_1
相位差在频偏控制模块的控制下根据时变特性G(t)进行信号时变，进而获得非线性频偏
Figure SMS_2
最后，可控时变移相器阵列根据非线性频偏产生n路具有非线性频偏的频控阵信号，且每一路的频率值为：
Figure SMS_3
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种大规模频控阵非线性频偏产生电路，通过控制移相器输出信号时变，将移相器产生的相位差转变为频偏，从而实现频控阵信号的频偏设计，而移相器入出信号的时变特性是可控的，可通过控制移相器输出信号非线性时变，进而实现频控阵信号的非线性频偏设计。通过功率分配器将频率合成器产生的信号分为多路，分别输出至多路并行的移相器，相对于传统的多路频率合成电路，该电路大幅度节约了硬件成本，多路并行移相器也大大提高了各路频偏的灵活性，其输出的多路信号具有相参性、频率灵活可调等特点，广泛适用于各种应用对频率源的要求。
同时，本发明一种针对大规模频控阵非线性频偏产生方法还具有以下有益效果：
(1)、采用移相器时变的方式改变信号的输出频率，解决了频率间隔不能实现非线性变化的问题，同时还能优化各路输出信号的相位噪声；
(2)、引入可控时变移相器阵列，通过控制移相器时变特性，解决频控阵非线性频偏产生问题，可进一步探究频控阵非线性频偏对频控阵发射波束方向图的影响；
(3)、本发明采用可控时变移相器后，大大简化电路结构，降低制造成本，并行结构也提高频偏调节的灵活性，可广泛应用于频控阵频率合成领域。
附图说明
图1是本发明一种大规模频控阵非线性频偏产生电路的原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种大规模频控阵非线性频偏产生电路的原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种大规模频控阵非线性频偏产生电路，包括：频率合成器、功率分配器、可控时变移相器阵列和频偏控制模块；
频率合成器对参考信号x(t)进行频率合成，再将频率合成后的信号x'(t)输出至功率分配器；
功率分配器将信号x'(t)分为多路输出信号x1(t),x2(t),…,xn(t)，其输出的信号路数与可控时变移相器阵列中移相器的数目一致，最后将每一路分别输入至对应移相器；
可控时变移相器阵列由n个结构相同且并行的移相器组成，每个移相器的时变特性由频偏控制模块决定；
频偏控制模块用于控制每个移相器移相后的信号根据时变特性进行信号时变，进而得到非线性频偏；在本实施例中，频偏控制模块由FPGA或者DSP芯片及外部控制代码构成；
设参考信号x(t)的频率为f0，频率合成器参数为r，r为整数或分数，频偏控制模块频率为finc，时变特性为G(t)，G(t)为非线性时变特性，如多项式、指数、对数等；那么频率合成器对参考信号x(t)进行频率合成后，得到频率为rf0的信号x'(t)，再输入至功率分配器；功率分配器将信号x'(t)分为多路输出信号x1(t),x2(t),…,xn(t)后输入至可控时变移相器阵列，在可控时变移相器阵列中，每个移相器对输入信号进行移相，产生相位差
Figure SMS_4
本实施例中，由于频偏控制模块时变特性为非线性，那么，相位差
Figure SMS_5
在频偏控制模块的控制下根据时变特性G(t)进行信号时变，进而获得非线性频偏
Figure SMS_6
最后，可控时变移相器阵列根据非线性频偏产生n路具有非线性频偏的频控阵信号，且每一路的频率值为：
Figure SMS_7
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种大规模频控阵非线性频偏产生电路，其特征在于，包括：频率合成器、功率分配器、可控时变移相器阵列和频偏控制模块；
所述频率合成器对参考信号x(t)进行频率合成，再将频率合成后的信号x'(t)输出至功率分配器；
所述功率分配器将信号x'(t)分为多路输出信号x1(t),x2(t),…,xn(t)，其输出的信号路数与可控时变移相器阵列中移相器的数目一致，最后将每一路分别输入至对应移相器；
所述的可控时变移相器阵列由n个结构相同且并行的移相器组成，每个移相器的时变特性由频偏控制模块决定；
所述频偏控制模块用于控制每个移相器移相后的信号根据时变特性进行信号时变，进而得到非线性频偏；
设参考信号x(t)的频率为f0，频率合成器参数为r，频偏控制模块频率为finc，时变特性为G(t)；那么频率合成器对参考信号x(t)进行频率合成后，得到频率为rf0的信号x'(t)，再输入至功率分配器；功率分配器将信号x'(t)分为多路输出信号x1(t),x2(t),…,xn(t)后输入至可控时变移相器阵列，在可控时变移相器阵列中，每个移相器对输入信号进行移相，产生相位差
Figure QLYQS_1
相位差在频偏控制模块的控制下根据时变特性G(t)进行信号时变，进而获得非线性频偏
Figure QLYQS_2
最后，可控时变移相器阵列根据非线性频偏产生n路具有非线性频偏的频控阵信号，且每一路的频率值为：
Figure QLYQS_3
2.根据权利要求1所述的一种大规模频控阵非线性频偏产生电路，其特征在于，所述频率合成器参数r为整数或分数。
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