一种基于反正弦时钟的相控阵匀速扫描的实现方法与流程

本发明涉及相控阵列天线，涉及一种应用于微波着陆系统的相控阵匀速扫描方法。
背景技术：
：相控阵天线主要应用于地面、船舶、航空和航天等领域的雷达或者导航设备中，通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状。控制相位可以改变天线方向图最大值的指向，以达到波束扫描的目的。匀速扫描相控阵天线是一种辐射方向图主瓣波束指向随时间均匀变化的相控阵天线，多应用于微波着陆系统(MLS:MicrowaveLandingSystem)。微波着陆系统为要求着陆的飞机提供角度引导信息，包括方位引导设备、仰角引导设备和测距应答设备，其中天线是整个系统信号发射接收的重要部件，特别是方位扫描天线和仰角扫描天线均为相控阵天线，分别在水平面、铅垂面实现一维扫描，形成窄波束、低副瓣的扫描面形。地面设备发射天线为匀速扫描相控阵系统，发射在一定角度范围内来回匀速扫描的波束，机载接收设备接收到“来”、“回”扫描产生的两个窄脉冲，通过测量两相邻信号脉冲的时间间隔，结合地面匀速相控阵波束指向和时间变化的关系，可以判断飞机着陆所需的角度引导信息。因此，相控阵天线的匀速扫描特性的研究有很重要的意义。对于匀速扫描相控阵天线，可以利用波束控制系统在等时间间隔的时刻为数字移相器提供触发信号，使移相器不均匀的改变阵元激励相位，实现波束指向随时间均匀变化，但这种方法要求使用较高步进精度的数字移相器才能满足高精度波束扫描，而数字移相器步进精度越高，则成本越高。技术实现要素：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于反正弦时钟的相控阵匀速扫描的实现方法，利用反正弦变换的时钟信号控制移相器，使移相器在非均匀时间间隔等量改变阵元激励相位，实现相控阵天线的匀速扫描。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下几个步骤：1)按照相控阵扫描特性需求选定扫描范围、扫描速度、移相器步进精度以及阵列天线参数；2)根据阵列天线阵因子最大值条件，求出相邻阵元之间激励相位差值范围；3)利用激励相位差值范围和移相器步进精度，得到1/2扫描周期内激励相位最大改变次数其中，(αmin，αmax)是阵内相邻阵元相位差范围，Δ＝2π/2k为移相器步进精度，是向上取整；4)修正阵列天线阵因子最大值条件，得到相控阵阵因子最大值表达式：βdsin(θm)=αmin+pΔ(0≤p≤P)βdsin(θm)=αmax-(p-P)Δ(P<p≤2P)]]>其中，θm=θmin+ωt(0≤t≤Ts/2)θmax-ω(t-Ts/2)(Ts/2<t≤Ts)]]>其中β是电磁波自由空间传播常数，d是相邻阵元间距，θm为阵列辐射方向图波束指向，p为移相器相位变化次数，(θmin，θmax)是相控阵扫描范围，ω为相控阵扫描速度，t是扫描时间变量，Ts＝2π/ω为匀速扫描相控阵扫描周期；5)将步骤1)、3)中的参数带入到步骤4)的相控阵阵因子最大值表达式，得出一个扫描周期内每次激励相位变化对应的时间序列t＝{t1，t2，...，tp，tp+1，...，t2P-1，t2P}；6)将时间序列t除以系统时钟信号周期TCLK，得到一个扫描周期内激励相位变化对应的反正弦时钟序列count＝{count1，count2，...，countP，countP+1，...，count2P-1，count2P}；7)一个扫描周期内，每当控制系统脉冲计数器的数值等于步骤6)中反正弦序列中的某一个数值时，均匀改变激励相位相移量，使相控阵在一个扫描周期内主瓣波束指向匀速扫描，最终实现相控阵的匀速扫描。本发明的有益效果是：可以通过选择移相器相位量化位数灵活控制匀速扫描相控阵的扫描精度，也可以通过调节扫描速度和扫描角度范围，得到满足预期要求的匀速相控阵系统。本发明的整个过程利用反正弦变换的时钟信号控制移相器，等量改变阵元激励相位，有助于实现高扫描精度、馈电网络中移相器控制系统的程序运算量较小的相控阵天线匀速扫描控制，简化硬件电路的设计复杂度。本发明等量改变激励相位值，扫描精度高，减少了系统程序的运算量，简化硬件电路设计。本发明通过反正弦变换的时钟信号控制移相器等量改变阵元激励相位，使激励相位变化时间随变化次数呈反正弦关系，实现扫描角度与时间呈线性关系的相控阵匀速扫描。附图说明图1为本发明的方法流程框图。图2为本发明实施例的关于中心对称的均匀直线阵列天线示意图。图3为本发明实施例的匀速相控阵天线馈电网络示意图。图4为本发明实施例的一个扫描周期内阵元激励相位改变时间与改变次数的关系示意图。图5为本发明实施例的匀速扫描相控阵的主瓣波束指向与扫描时间的关系示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。本发明包括以下几个步骤：1)按照相控阵扫描特性需求选定扫描范围、扫描速度、移相器步进精度以及阵列天线基本参数；2)根据阵列天线阵因子最大值条件，求出相邻阵元之间激励相位差值范围；3)利用激励相位差值范围和移相器步进精度，得到1/2扫描周期内激励相位最大改变次数P的表达式其中，(αmin，αmax)是阵内相邻阵元相位差范围，Δ＝2π/2k为移相器步进精度，k为相位量化位数，是向上取整；4)修正阵列天线阵因子最大值条件，得到相控阵阵因子最大值表达式：βdsin(θm)=αmin+pΔ(0≤p≤P)βdsin(θm)=αmax-(p-P)Δ(P<p≤2P)---(2)]]>其中，θm=θmin+ωt(0≤t≤Ts/2)θmax-ω(t-Ts/2)(Ts/2<t≤Ts)---(3)]]>其中β是电磁波自由空间传播常数，d是相邻阵元间距，θm为阵列辐射方向图波束指向，p为移相器相位变化次数，(θmin，θmax)是相控阵扫描范围，ω为相控阵扫描速度，t是扫描时间变量，Ts＝2π/ω为匀速扫描相控阵扫描周期。5)把步骤1)、3)中的参数带入到步骤4)表达式(2)、(3)，可以得出一个扫描周期内每次激励相位变化对应的时间序列t＝{t1，t2，...，tp，tP+1，...，t2P-1，t2P}；6)由步骤5)所得时间序列t除以系统时钟信号周期TCLK，可以量化得到一个扫描周期内激励相位变化对应的反正弦时钟序列count＝{count1，count2，...，countP，countP+1，...，count2P-1，count2P}；7)一个扫描周期内，控制系统脉冲计数器的数值等于步骤6)中反正弦序列中的数值，则在对应的时刻均匀改变激励相位相移量，使相控阵在一个扫描周期内主瓣波束指向匀速扫描，最终实现相控阵的匀速扫描。步骤1)所述相控阵可以为均匀直线阵列，即每一个阵元是单个天线单元，也可以是一个均匀平面阵列，即每个阵元可以是一个子阵。步骤3)中，所述的移相器步进精度取决于移相器相位量化位数，增加量化位数，提高阵列天线的扫描精度，并且所述扫描周期内激励相位变化次数为2P。步骤6)中，所述时间序列和反正弦时钟序列均为随相位变化次数呈反正弦规律变换的离散序列，且变化周期为2P。所述时间序列、反正弦时钟序列与波束主瓣指向角度是线性关系。参见图1，本发明实施例的设计步骤如下：步骤1：按照相控阵扫描特性需求选定扫描范围、扫描速度、移相器步进精度以及阵列天线基本参数；本实施例选择如图2所示的均匀直线阵列(其中每个阵元可以是单个天线单元也可以是一个子阵)，阵元数目N＝60，阵元间距为d＝λ/2，λ是电磁波自由空间波长，相控阵系统的扫描范围设为(θmin，θmax)，其中θmin＝-60°，θmax＝60°，扫描速度为ω＝100°/s，且相位量化位数为6，即移相器步进精度Δ＝360°/26。步骤2：根据阵列天线阵因子最大值条件，求出相邻阵元之间激励相位差值范围；把步骤1中波束指向扫描范围带入到阵列子最大值条件表达式，可以得到本实施例中激励相位变化范围(αmin，αmax)，其中αmin＝-155.88°，αmax＝155.88°。步骤3：利用激励相位差值范围和移相器步进精度以及表达式(1)，得到1/2扫描周期内激励相位最大改变次数P＝22。步骤4：修正阵列天线阵因子最大值条件，得到相控阵阵因子最大值表达式，如表达式(2)、(3)所示。步骤5：把步骤1、2、3中的参数带入到步骤4)表达式(2)、(3)，可以得出一个扫描周期内每次激励相位变化对应的时间序列t。本实施例中t为随相位变化次数呈反正弦规律变化的离散序列，元素个数为2P＝44，如图4所示。步骤6：由步骤5所得时间序列t除以系统时钟信号周期TCLK，可以量化得到一个扫描周期内激励相位变化对应的反正弦时钟序列count；其中本实施例控制系统时钟周期TCLK＝0.1μs。步骤7：一个扫描周期内，控制系统脉冲计数器的数值等于步骤6)中反正弦序列中的数值，则在对应的时刻均匀改变激励相位相移量，使相控阵在一个扫描周期内主瓣波束指向匀速扫描，最终实现相控阵的匀速扫描。从表达式(3)和图5中可以看出，主瓣波束指向与时间呈线性关系，即该方法符合相控阵天线匀速扫描的要求。本发明是一种基于反正弦时钟的相控阵匀速扫描的实现方法，可以通过激励相位变化时间随变化次数呈反正弦规律，实现扫描角度与时间呈线性关系的匀速相控阵，整个过程只需要控制系统选择合适的时间，等量改变激励相位，有助于实现高扫描精度、馈电网络中移相器控制系统的程序运算量较小的相控阵天线匀速扫描控制，简化硬件电路的设计复杂度。在雷达、微波着陆等通信领域有很高的应用价值。当前第1页1 2 3