一种孔径级同频全双工相控阵天线宽带耦合信号对消方法技术

本发明专利技术公开了一种孔径级同频全双工相控阵天线宽带耦合信号对消方法。该算法首先通过全波仿真或实验测试得到收发相控阵天线端口散射参数和有源单元增益方向图，然后在期望对消带宽内有源反射系数满足给定约束条件下，建立最小化信号耦合功率同时最大化发射波束扫描方向上增益的唯相非凸优化问题，再通过迭代的方式把该问题转化为迭代凸优化问题，并使用凸优化算法高效求解出发射子阵相位激励。该方法充分利用了发射子阵相位激励这一设计自由度，实现了收发子阵间自干扰信号耦合功率的大幅度减小，为实现孔径级同频全双工相控阵天线宽带信号耦合功率对消提供了一种有效的解决方案。方案。方案。

【技术实现步骤摘要】
一种孔径级同频全双工相控阵天线宽带耦合信号对消方法


[0001]本专利技术属于同频全双工有源相控阵天线
，涉及到收发天线分离的有源相控阵孔径级宽带自干扰信号对消算法。具体是指利用发射相控子阵中移相器对信号的调制作用，在保证发射相控子阵正常工作的同时，充分利用相位激励(相位加权)这一设计自由度，通过唯相发射波束形成实现自干扰信号耦合功率的对消，提升收发子阵间隔离度。

技术介绍

[0002]有源相控阵天线凭借其快速的波束扫描和波束赋形能力，是当前实现雷达、通信、成像等功能的主要天线形式。同时，为了节约天线布阵空间和减少电磁兼容等问题，相控阵雷达实现多功能需要天线的宽带甚至超宽带特性进行支撑。另一方面，随着电磁频谱资源的日益紧张，传统的时分全双工相控阵或者频分全双工相控阵面临着频谱效率十分有限的技术瓶颈，而在理论上能够使频谱效率增加两倍的同频全双工有源相控阵天线成为了目前的研究重点和研究热点。正如专利号为201510263122.4的专利中叙述的那样，由于一些相控阵雷达使用的是连续波，而不是脉冲信号，因此需将发射相控子阵和接收相控子阵物理上分隔开来。因此，与同频全双工无线通信系统一样，孔径级同频全双工有源相控阵天线迫切需要解决的关键问题是在较宽的工作频段内实现本地发射子阵耦合或者泄露到本地接收子阵自干扰信号功率的有效抑制。
[0003]事实上，本地发射机发射功率通常非常大，高出本地接收机接收远端发射机发射信号功率的几个数量级，而本地接收机处于本地发射机近场区域，如果来自发射端的自干扰信号耦合功率得不到有效抑制，不仅会使得接收机期望信号完全淹没在强自干扰信号之中，接收机难以正常工作，而且当自干扰信号耦合功率超过一些有源器件(如低噪声放大器、模数转换器等)的动态范围，会出现饱和甚至烧毁器件的后果。因此，研究同频全双工有源相控阵天线孔径级宽带自干扰对消方法具有十分重要的研究意义和研究价值。
[0004]目前，学术及工程界对同频全双工技术的研究仍然聚焦于如何实现更高的收发子阵之间隔离度。文献《In
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Band Full
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Duplex Technology:Techniques and Systems Survey》系统归纳了实现自干扰信号耦合功率对消的三个层面，归纳起来为：传播域、模拟域、以及数字域。传播域主要是指从天线层面上通过各种方法减少自干扰信号耦合功率，比如采用收发子阵分离一段物理距离，收发子阵采用正交极化放置、收发子阵之间加载吸波材料或高阻抗表面等，虽然上述方法的确能够改善收发子阵之间的隔离度，但是各自都存在一定的局限性，例如在实际工程应用中收发子阵间分离的距离不能太大，因此带来的隔离度提升是有限的收发子阵加载高阻抗表面通常只能在较小的工作带宽之中有效。因此，仅仅依靠传播域的对消方法无法满足同频全双工系统对收发子阵间隔离度的要求。在模拟域采用射频对消电路并放置于发射通道与接收通道之间(通常，发射端放置于功率放大器之后，接收端放置于低噪声放大器之前)，利用已知本地发射机发射信号这一先验条件，通过调整射频对消电路的抽头个数、延迟时间、衰减幅度以及相位移相量，能够实现一定带宽内自干扰耦合信号的对消，使得自干扰耦合信号功率在低噪声放大器等有源器件的动态范
围之中，不出现饱和与非线性失真现象。但是相控阵天线收发通道数目非常多，如果在每个收发通道之间都加入射频对消电路，电路结构将异常复杂，特别是对于宽带射频对消情形更是如此。因此，对于同频全双工相控阵天线，若需大幅减少射频对消电路个数，同时实现较高的收发子阵间隔离度，必然需要在天线层面上在更宽的频带范围内实现更高的收发子阵隔离度。
[0005]事实上，孔径级同频全双工相控阵系统中收发天线阵属于分离状态，即收发系统使用不同孔径的天线阵。发射孔径中每个通道发射信号首先受到发射组件中衰减器和移相器的幅相调制，然后调制后的每个通道的自干扰信号除了正常辐射出去外，还会耦合到接收孔径中每个天线单元，并受到接收组件中衰减器和移相器的幅相调制，最终接收机每个通道均形成具有一定幅度和相位的自干扰耦合信号。因此，充分使用发射子阵和接收子阵的幅相加权，采用发射波束形成或接收波束形成的方法是在传播域进一步实现自干扰信号耦合功率对消的重要途径。
[0006]林肯实验室在发表的题目为《Aperture
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Level Simultaneous Transmit and Receive With Digital Phased Arrays》的文献中提出了孔径级同频全双工系统概念，该技术充分使用数字相控阵技术固有的多自由度优势，将整个天线阵列分成发射子阵列和接收子阵列。通过空域数字波束形成(发射波束形成和接收波束形成)和数字域对消实现了收发孔径间的高隔离度(超过180dB)。但是，数字相控阵需要对每个通道进行数模转化，所需要的硬件成本(比如数模转换器)非常昂贵，特别是对于大规模数字相控阵更是如此，然而该方法的优势已初步凸显。文献《Wideband Full
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Duplex Phased Array With Joint Transmit and Receive Beamforming:Optimization and Rate Gains》中针对无线通信系统的应用需求，通过在模拟域调整发射子阵和接收子阵的幅相激励，实现了宽频带的射频对消，同时最小化发射子阵和接收子阵的增益损失。但该方法采用的天线单元模型仍是点源模型，没有考虑发射子阵和接收子阵内部单元之间的耦合，且幅相激励对于阵列有源驻波的影响也未涉及。同时，由于发射子阵也进行了幅度加权，发射子阵的效率下降难以避免。因此，本文针对同频全双工有源相控阵天线应用需求，在考虑发射子阵和接收子阵内部单元之间的耦合的条件下，提出了基于唯相发射波束形成的同频全双工相控阵天线孔径级宽带自干扰信号对消算法。

技术实现思路

[0007]鉴于上述技术背景，本专利技术提出了基于唯相发射波束形成的同频全双工相控阵天线孔径级宽带自干扰信号对消算法。该方法充分利用发射子阵相位激励这一设计自由度，在保证发射子阵正常工作和均匀幅度激励的条件下，通过对发射子阵每个通道的相位激励进行综合优化设计，实现了收发子阵间自干扰信号耦合功率的大幅度减小，极大减轻射频对消电路的复杂性。
[0008]本专利技术的详细技术方案是：首先选择合适的相控阵宽带天线单元，本专利技术实施案例中选择的是工作于8GHz～12GHz的宽带紧耦合偶极子天线单元，并组成收发相控阵，为了提升收发相控阵天线隔离度，根据具体应用需求选择采用合适的提升收发子阵隔离度的技术方案，比如收发子阵物理上拉开一定距离、收发相子阵正交放置、收发子阵之间加入高阻抗表面或吸波材料等，并通过全波仿真软件或实验测试得到收发相控阵天线端口散射参数
和有源单元增益方向图；然后根据微波网络理论和天线阵理论，计算出期望带宽内发射子阵每个天线端口的有源驻波，增益方向图、以及每个接收通道接收到的自干扰耦合信号；最后在期望带宽内建立以发射子阵相位激励为优化参数，以最发射子阵增益本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种孔径级同频全双工相控阵天线宽带耦合信号对消方法，其主要特征在于首先通过全波仿真或实验测试得到收发相控阵天线端口散射参数和有源单元增益方向图，然后在期望对消带宽[f
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,f
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]内有源反射系数满足给定约束条件下，建立最小化自干扰信号耦合功率同时最大化发射波束扫描方向上增益的唯相非凸优化问题：束扫描方向上增益的唯相非凸优化问题：其中，t1和t2表示松弛变量，w1和w2表示加权系数，M和N分别表示发射子阵单元行数和列数，F表示期望对消带宽[f
l
,f
h
]内频率取样点数，P
in
表示每个发射通道通过功率放大器后的输出信号功率，表示由发射子阵在工作频率f处的相位激励构成的优化向量，表示接收子阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锋，杨仕文，岳伯阳，李镇玉，杨旭，陈显舟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：