一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法与流程

本发明属于天线工程技术领域，涉及阵列信号处理，具体来说是一种基于多时间调制频率的四维天线阵，可用于雷达、通信领域要求低副瓣低边带方向图的场合。

背景技术：

在无线通信和雷达系统中，单一天线的辐射性能是有限的，为了满足多种应用场景对天线系统辐射性能的不同需求，将工作在同一频率的多个单一天线，按照一定的方式排布，构成天线阵列，也就是天线阵。天线单元按其在空间上排布的不同方式主要分为以下三类，一维排布的天线阵，构成了均匀或稀布直线阵；二维排布的天线阵，构成了面阵或者圆环阵；三维排布的天线阵，构成了共形面阵或体阵。但是在工程应用中，往往要求天线阵的辐射方向图具有高方向性系数和低副瓣的特点，空间三维排布的设计自由度已经很难满足通信和雷达系统对天线阵的性能的苛刻要求。因此，利用时间这一维自由度，发展时间调制技术，将天线单元在时间维布阵，构成四维天线阵就成为了新一代无线通信和雷达探测技术发展的重要突破口。1963年，美国空军实验室的kummer等人首次将时间调制技术应用一个八元开槽波导阵列中，实现了-39.5db的超低副瓣电平。时间调制阵仅仅是四维天线阵的一种形式。四维天线阵通过控制天线单元的通断对发射信号进行时间调制，在中心频率产生等效加权实现低副瓣。但是，与此同时在中心频率之外产生谐波，称这一现象为边带效应或边带辐射。在实现中心频率低副瓣的同时，边带信号对期望信号产生干扰。四维天线阵作为一种新型阵列形式，在雷达和通信领域有着十分广阔的应用前景，其在无线通信领域的应用潜力使四维天线阵的研究成为新一代无线通信的重要发展方向。近年来，欧洲、亚洲等地的学者展开了对四维天线阵的研究，利用其在低副瓣的性能优势，发挥到脉冲多普勒雷达、单脉冲测向和保密通信等应用当中。

四维天线阵的边带辐射，在综合低副瓣方向图时，会对中心频率信号产生干扰，影响其低副瓣的性能、降低天线阵方向性系数。因此，需要对边带辐射进行抑制。已有报道的边带抑制方法，大多采用，例如遗传算法、差分进化算法、粒子群算法、模拟退火算法等优化算法对对控制时序进行优化设计。但是，仅仅通过对控制时序的优化来降低边带电平，其抑制效果有限，例如，利用遗传算法(j.fondevilaetal.,“optimizinguniformlyexcitedlineararraysthroughtimemodulation,”ieeeantennaswirelesspropag.lett.,vol.3,pp.298–301,2004.),粒子群算法(l.polietal.,“handlingsidebandradiationsintime-modulatedarraysthroughparticleswarmoptimization,”ieeetrans.antennaspropag.,vol.58,no.4,pp.1408–1411,apr.2010.)，差分进化算法(s.yangetal.,“sidebandsuppressionintimemodulatedlineararraysbythedifferentialevolutionalgorithm,”ieeeantennaswirelesspropag.lett.,vol.1,pp.173–175,2002.)等等，也有采用基于切比雪夫加权的非均匀时间调制周期方法(c.heetal.,“sidebandradiationlevelsuppressionintime-modulatedarraybynonuniformperiodmodulation,”ieeeantennaswirelesspropag.lett.,vol.14,pp.606–609,2015.)。但上述方法都仅仅局限在对优化算法的研究，对于阵列硬件设计并没有进一步说明。在与四维天线阵相关的专利中，报道了四维天线阵列的优势，如中国专利(李钢等，“基于时间调制的天线阵列相位控制技术及其系统实现”，cn101609931b，2012；杨仕文等，“一种基于单刀多掷开关的四维天线阵”，cn102646874b，2015)报道了一些四维天线阵的实现形式，使天线阵列不需要使用移相器就可以实现波束空间电扫描，但没有报道边带抑制的方法。

本发明基于前人在四维天线阵边带抑制方法方面的研究工作，提出了一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制新方法。本发明对四维天线阵开关控制结构做了相应改进，使用一组多时间调制频率的控制时序，大大降低了以往采用单一时间调制频率造成的高边带电平，降低了边带辐射的峰值功率。并且在优化控制时序的方法上进行了创新，与传统优化算法综合低副瓣方向图方法不同，根据多时间调制频率边带电平的性质，通过合理改进优化流程，缩短了同时综合中心频率低副瓣方向图和抑制边带辐射的优化算法所需的时间。本发明可以利用多时间调制频率的四维天线阵，实现中心频率低副瓣和抑制边带辐射，减小边带辐射对信号传输的干扰。最大的创新在于利用多时间调制频率，对四维天线阵的边带进行抑制。所提出的方法利用多时间调制频率的控制时序，大大降低了四维天线阵优化的复杂度，提高了波束赋形速度，实现了低副瓣低边带的应用要求。

技术实现要素：

本发明鉴于上述技术背景，目的在于对现有技术在应用中存在的问题加以研究和解决，提出了一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法,利用多时间调制频率对四维天线阵的时序进行控制，解决了四维天线阵在综合低副瓣方向图的同抑制边带辐射的应用中，由于低副瓣对加权要求苛刻，仅采用优化算法对边带辐射难以抑制等问题。

本发明的基本技术方案是：

该装置主要包括8单元均匀直线阵列、功分器、射频开关电路、现场可编程门阵列fpga单元和时间同步装置。其中fpga单元包括：计算机接口通信模块、射频开关时序控制模块。fpga电路板主要完成两项功能，一是产生不同占空比的射频开关控制信号；二是8种不同时间调制频率的信号。每个射频开关控制一个天线单元通道，在各自的调制周期内，根据fpga产生的控制时序选择导通或者断开。对于每个单元来说，这种周期性的通断会对发射信号进行时间调制，在中心频率附近产生等频率间隔的谐波；对于整个阵列来说，不同的时间调制频率使谐波信号产生的位置不同，故不能叠加，从而降低边带辐射。通过合理设计开关通断时间序列可以实现天线单元在中心频率上的幅度加权，从而向实现低副瓣。

利用上述方法对四维天线阵边带进行抑制的过程如下：

1)根据所需发射信号的要求，设置四维天线阵各个单元的时间调制频率，利用计算机优化并得到四维天线阵工作的最优时序；

2)将四维天线阵时序经由计算机接口通信电路传送给fpga单元进行保存和处理，并产生对射频开关的控制时序；

3)射频开关控制电路按预设时序对控制每一天线单元的射频开关，进行时间调制，每一天线单元的发射信号在空间中叠加，形成低副瓣低边带方向图。

本发明的创新在于使用了四维天线阵的多时间调制频率抑制边带辐射，从边带形成的物理本质上对进行抑制。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)大幅度降低边带电平，采用多时间调制频率，从边带形成的物理本质出发，降低了边带辐射电平；

2)易于实现，在硬件方面，与采用单一时间调制频率的四维天线一致，仅改变控制射频开关的时序；

3)降低优化难度，本基于多时间调制频率的边带抑制方法，在利用优化技术的过程中利用新的边带计算方法，降低了优化所需的计算量。

本发明的特点是采用单个线性调频信号源作为馈源，有效地减少了dds芯片及放大器的数量，进而降低了系统复杂度，达到多载频信号发射系统小型化的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法的四维天线阵结构图。

图2为本发明中吸收式射频开关结构图，其中11是0度相位延迟线，12是50欧姆匹配电阻，13是ttl信号开关芯片控制线，14是单刀双掷射频开关。

图3为一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法的优化流程图。

图4为一种基于多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法的低边带电平原理图，其中左半部分表示单时间调制频率边带信号的形成，右边表示多时间调制频率边带信号的形成，从图中可以看出，采用多时间调制频率让各个单元的边带信号不在相同位置叠加，这样可以使四维天线阵列的边带显著降低。

图5为一种16单元基于均匀频率间隔的多时间调制频率的四维天线阵边带抑制方法的开关时序图，其中阴影部分表示开关导通时间，空白部分表示断开时间。

图6为按本发明图5时序控制的16单元四维天线阵列在中心频率和最高边带电平方向图。

具体实施方案

参照图3，本发明实现低副瓣低边带的过程如下：

1)根据阵列所需的增益和方向图的副瓣电平要求，设置四维天线阵的单元数量和各单元的时间调制频率。该时间调制频率是指四维天线阵开关周期性通断的重复频率。其中第k个单元的时间调制频率为fpk，uk(t)为第k个单元的开关控制函数：

其中第k个单元在中心频率和第m边带的等效加权为，

τ^k,为第k个单元的归一化导通时长。

2)优化四维天线阵时序，预先采用参照图3多时间调制频率的优化算法对时序进行优化，求得最佳值；

3)传送参数，即由计算机接口通信电路将四维天线阵时序传送给fpga；

4)接收和保存，即由fpga单元的计算及接口模块将四维天线阵时序接收后保存；

5)fpga产生控制时序，控制射频开关按预设时序控制该路的通断。通过时钟控制使开关通断的时刻与信号产生的时刻同步；

6)射频开关按预设时序对该路的线性调频信号进行时间调制，每一路信号经过时间调制向天线单元传输信号；

7)天线单元将时间调制后的信号发射，每一天线单元的发射信号在空间中叠加，形成低副瓣低边带方向图的输出，其阵因子如下：

实施例：基于8单元四维天线阵的多时间调制频率边带抑制方法

参照图1，本实施例中采用8个半波长等间距分布的全向性阵列单元构成四维天线阵。该阵列天线主要包括8个天线单元、8个受ttl信号控制的吸收式射频开关、1分8功分器、fpga电路板和信号源。所有的开关由fpga电路板产生的不同频率的ttl信号控制。

通过采用优化算法优化吸收式射频开关的通断选择时序，可以在等幅同相馈电的情况下实现向侧射方向低副瓣低边带方向图，图5是采用优化算法优化得出的各个单元的控制时序，其中黑色阴影部分表示开关处于导通状态，空白部分表示开关处于断开状态。图6为工作在多载频信号发射状态的四维天线阵在一个时间调制周期内在中心频率和正负四个边带的方向图。可见，中心频带实现了-30db方向图，而边带电平为-36.94db。因此，在此状态下，可以利用8单元直线阵工作在发射或接收状态同时实现低副瓣和低边带的设计要求。由于控制每个天线单元的射频开关工作在不同频率，参照图4的原理，边带辐射大大降低，对中心频率的干扰也大大降低。产生的低副瓣低边带方向图可以应用在点对点通信或雷达系统中，有在巨大应用潜力。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可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。