一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统及其实现方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于时间调制阵列的谐波波束形成系统及其实现方法。其基本结构包括一个射频信号生成模块、一个1分N功分器、N个时间调制器、N个功率放大器、N个天线辐射单元、一个时间调制器控制模块。其中时间调制器由八段固定长度延时线和两个单刀8掷开关构成。本发明专利技术利用时间调制器控制模块控制不同时间调制器相位线性变化斜率和相对时延，来达到相应天线单元激励幅度与相位的控制。本发明专利技术系统能够实现任意谐波边带的波束形成功能，并且能够保持100％的馈电效率。本发明专利技术涉及天线工程技术领域，特别是涉及一种基于时间调制阵列的谐波波束形成系统。

【技术实现步骤摘要】
一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统及其实现方法
本专利技术涉及天线工程
，特别是涉及一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统及其实现方法。
技术介绍
在现代愈加复杂的电磁环境下，对天线阵列的设计要求愈加严苛，特别是为了满足特定的应用场景，需要实现特定的天线阵列辐射方向图。传统的波束形成方式包含模拟波束形成、数字波束形成和数字模拟混合波束形成。模拟波束形成通常是在各个天线单元添加数字移相器和数字衰减器来实现指定的馈电幅度与相位，但是不可避免的会存在一定的相位幅度量化误差，从而使得辐射方向图形状产生扭曲。量化误差与数字移相器和数字衰减器的位数有关，位数越高，量化误差就会越小，但是也会带来更高的成本。数字波束形成在数字端进行信号的相位和幅度的控制，控制的精度比较高。但是要将射频模拟信号转化成数字信号，需要高速率的射频模数转化模块，无疑在大规模的天线阵列中难以实现，提高了系统成本。数字模拟混合波束形成则是上面两种波束形成的折中方式，从而降低系统成本提高系统性能。在大规模天线阵列系统中，这几种波束形成方式仍然会存在系统成本高，天线单元端口激励幅相控制精度差等问题，因此新的波束形成技术亟待开拓。时间调制阵列在1963年提出由W.H.Kummer在“Ultra-LowSidelobesfromTime-ModulatedArrays”提出，其将时间作第四维变量引入到传统的天线阵列当中，通过每个天线单元导通的时间长短，来等效控制每个天线单元端口馈入的平均功率，从而在中心频点实现了具有极低副瓣电平的辐射方向图。此方法采用通断型射频开关来控制天线的通断，只能够实现等效的幅度加权，但是不能控制相位。2015年，A.MinYao在“Single-SidebandTime-ModulatedPhasedArray”一文中提出了单边带时间调制阵列，利用I/Q调制的思想，能够在没有镜像边带的情况下实现+1阶谐波的任意波束扫描，该方法将-1阶镜像谐波能量转移到+1阶谐波上。尽管该方法能够实现连续的相位变化，但是由于其采用了吸收式的射频开关，导致其能够在+1阶边带上能够实现的最大等效激励幅度为0.61W(假设时间调制器输入功率为1W)，导致大量的能量损失。在公开号为CN110336627B的专利中提出了一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统。该系统中的时间调制模块包括p个矢量调控基本模块，2个p路等功率分配网络，(p-1)个固定相位延迟线。在大大提高了时间调制模块的复杂度时，理论上能够实现实现连续的相位变化同时能够使得时间调制模块输入功率在0W到0.4W之间连续变化。在公开号为CN111370873A的专利中提出了一种基于时间调制的阵列高效率相位调控系统，该系统中的时间调制模块在两层级联的双相位开关模型的基础上，保证可实现连续的相位变化的同时，将时间调制器的理论最大输出功率提升到了0.81W。由于N个时间调制函数具有一致的波形，所以该方法难以在保持高馈电效率的情况下实现幅度加权。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统及其实现方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统，包含一个射频信号生成模块(6)、一个1分N功分器(5)、N个K状态时间调制器(3)、N个功率放大器(2)、N个天线辐射单元(1)、一个时间调制器控制模块(4)；所述K状态时间调制器(3)由K段独立固定长度的延时线(8)和两个单刀K掷开关(7)构成；由射频信号生成模块(6)产生的射频信号先通过1分N功分器(5)分成N路等功率等相位的射频信号，每路射频信号进入时间调制器(3)进行周期性时间调制，然后经过功率放大器(2)放大后由天线辐射单元(1)辐射到自由空间中；其中时间调制器控制模块(4)用于周期性控制K状态时间调制器(3)工作状态，其中K为任意大于3的整数，N为大于2的整数。作为优选方式，一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统中的K状态时间调制器(3)的K种状态输出信号幅度相同，相对相位分别是：0,单位是弧度。作为优选方式，一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统的实现方法，具体设计控制K状态时间调制器(3)工作状态的周期性变化的函数gn(t)，使得谐波波束具有可扫描的低副瓣辐射方向图，包括：步骤一、设计具有N个辐射天线单元(1)的天线阵列和N个K状态时间调制器(3)，搭建基于时间调制阵列的谐波波束形成系统；步骤二、根据期望的辐射方向图设计出理想的辐射天线单元(1)端口激励分布Gnq′，包括激励幅度与相位，并确定所利用的谐波阶数q；步骤三、利用公式和确定第n个天线单元对应的K状态时间调制器(3)的相位变化斜率∈n和相对于参考单元的相对时延步骤四、根据公式确定相位变化函数，其中mod(·)为求余函数，round(·)为取最近的整数函数，即时间调制函数为作为优选方式，一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统的实现方法，K状态时间调制器(3)能够实现天线辐射单元(1)激励幅度和相位全空间连续可调，从而达到谐波波束形成的目的。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)与传统相控阵相比，本专利技术仅仅通过几段固定的时延线就能够实现全幅度全相位的连续变化，不仅提高了波束形状的控制精度，而且大大降低了系统成本；2)与已有的基于时间调制阵列的谐波波束形成技术相比，本专利技术中的时间调制模块结构更加简单，可实现的幅相范围更大；3)本专利技术的所需要的激励幅度与相位可直接通过数学方式计算得到，不需要复杂的优化方法；4)本专利技术最大的优势在于保持100％高馈电效率的同时，实现任意谐波波束赋形。附图说明为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考,对于本领域技术人员来讲,在不付出创造性劳动的情况下,还可以根据这些附图得到其它的附图图1是本专利技术系统结构图；图2是图1所示K状态时间调制器(3)具体内部结构；图3是相位连续线性变化时，在不同谐波阶数q＝-1,0,+1,+2处，傅里叶系数幅度和相位随相位变化斜率之间的关系；图4是相位离散线性变化(K＝8)时，在不同谐波阶数q＝-1,0,+1,+2处，傅里叶系数幅度和相位随相位变化斜率之间的关系；图5是实施例一中第n个天线实现激励幅度为0.5，相位为0度时，对应的时间调制函数的相位在一个周期的变化关系；图6是实施例二中，在q＝+2阶谐波处实现的余割平方波束赋形方向图；图7是实现图6所示余割平方波束赋形方向图时，对应的期望激励幅度、激励相位、线性相位变化斜率和相对时延等数据。具体实施方式以下通过特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统，其特征在于包含一个射频信号生成模块(6)、一个1分N功分器(5)、N个K状态时间调制器(3)、N个功率放大器(2)、N个天线辐射单元(1)、一个时间调制器控制模块(4)；所述K状态时间调制器(3)由K段独立固定长度的延时线(8)和两个单刀K掷开关(7)构成；由射频信号生成模块(6)产生的射频信号先通过1分N功分器(5)分成N路等功率等相位的射频信号，每路射频信号进入时间调制器(3)进行周期性时间调制，然后经过功率放大器(2)放大后由天线辐射单元(1)辐射到自由空间中；其中时间调制器控制模块(4)用于周期性控制K状态时间调制器(3)工作状态，其中K为任意大于3的整数，N为大于2的整数。/n

【技术特征摘要】
1.一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统，其特征在于包含一个射频信号生成模块(6)、一个1分N功分器(5)、N个K状态时间调制器(3)、N个功率放大器(2)、N个天线辐射单元(1)、一个时间调制器控制模块(4)；所述K状态时间调制器(3)由K段独立固定长度的延时线(8)和两个单刀K掷开关(7)构成；由射频信号生成模块(6)产生的射频信号先通过1分N功分器(5)分成N路等功率等相位的射频信号，每路射频信号进入时间调制器(3)进行周期性时间调制，然后经过功率放大器(2)放大后由天线辐射单元(1)辐射到自由空间中；其中时间调制器控制模块(4)用于周期性控制K状态时间调制器(3)工作状态，其中K为任意大于3的整数，N为大于2的整数。


2.根据权利要求1所述的一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统，其特征在于，所述K状态时间调制器(3)的K种状态输出信号幅度相同，相对相位分别是：0，单位是弧度。


3.一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统的实现方法，其特征在于，具体设计控制K状态时间调制器(3)工作状态的周期性变化的函数gn(t)，使得谐波波束具有可扫描的低副瓣辐射方...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨鹏，曾前伟，尹璐，杨峰，杨仕文，胡俊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51