阵列天线的复数域射频前端电路系统及其波束赋形方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电路系统和波束赋形方法，尤其是涉及一种阵列天线的复数域射 频前端电路系统及其波束赋形方法。
【背景技术】
[0002] 阵列天线的研宄和应用一直是天线领域的研宄热点，对比于传统单个天线，阵列 天线通过控制阵列天线每个天线单元的馈电相位能够快速灵活的实现天线方向图的波束 赋形，所以被广泛应用于卫星导航、通信、军事、遥感等多个领域。
[0003] 阵列天线系统构架主要有两种，最早的阵列天线采用模拟的移相器来控制各个天 线辐射单元的馈电相位来实现天线的波束重构，这种架构的相控阵天线灵活性有限，无法 实现复杂的波束形状。而近些年由于高速ADC技术的成熟，阵列天线系统通过数字波束赋 形技术将模拟信号转换为数字信号，通过数字域的各种算法实现波束赋形，这种系统架构 具有极高的灵活性，得到了更为广泛的应用。然而数字波束赋形构架需要高速的ADC技术 和运算模块，导致阵列天线系统成本非常昂贵，另外较高频率的天线系统由于ADC技术的 限制，还不能达到很好的性能，所以新型的射频前端电路系统有非常重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明为了精简基于数字波束赋形技术的阵列天线系统、降低系统成本、提高系 统稳定性，提供了一种阵列天线的复数域射频前端电路系统及其波束赋形方法，利用矢量 乘法器在复数域调节射频信号的幅度与相位，可应用于阵列天线系统，实现不同场合下天 线波束的快速赋形，可很好地应用于阵列天线系统。
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] -、一种阵列天线的复数域射频前端电路系统：
[0007] 包括射频信号放大器、矢量乘法模块、控制模块以及合路器，阵列天线单元接收的 各路信号依次经各自的射频信号放大器、矢量乘法模块后传输到合路器输出，控制模块分 别与各个矢量乘法模块连接，对矢量乘法器在射频信号的复数域调节信号的幅度与相位进 行控制，合路器将各个矢量乘法模块的输出信号合并输出。
[0008] 所述的射频信号放大器采用低噪声放大器，放大信号的同时可以抑制部分噪声。
[0009] 所述的矢量乘法模块包括正交功分器和矢量乘法器，射频信号放大器依次连接正 交功分器和矢量乘法器，射频信号放大器放大后的射频信号经正交功分器分成I、Q两路信 号，I、Q两路信号传输到矢量乘法器的两个输入端口，矢量乘法器在复数域中对射频信号进 行调幅与调相后输出一路信号。
[0010] 所述的控制模块包括控制单元（MCU)和数/模转换器（DAC)，矢量乘法模块经数/ 模转换器（DAC)与控制单元（MCU)连接，控制单元输出数字控制信号，经数/模转换器转换 为模拟控制信号，模拟控制信号输入到矢量乘法模块的矢量乘法器中，对矢量乘法器调幅 与调相进行控制。
[0011] 所述的数/模转换器（DAC)采用低于IMSPS的数/模转换器（DAC)。
[0012] 所述的控制单元（MCU)采用36MHz处理频率的低速控制单元（MCU)。
[0013] 二、一种阵列天线的复数域射频波束赋形方法：
[0014] 将阵列天线单元接收的各路信号经各自的射频信号放大器放大后输入到矢量乘 法模块，控制模块发出调节幅度与相位的控制信号到各个矢量乘法模块，矢量乘法器在复 数域对射频信号的幅度与相位进行调节，各个矢量乘法模块输出射频信号输入到合路器， 最后合路器将各个天线单元的射频信号合并输出。
[0015] 在所述的矢量乘法模块中，所述的射频信号先经正交功分器分成I、Q两路信号， I、Q两路信号传输到矢量乘法器的两个输入端口，矢量乘法器根据控制模块发出的控制信 号在复数域中对射频信号进行调幅与调相，最后输出一路信号。
[0016] 所述的控制模块发出调节幅度与相位的控制信号具体采用以下方式：根据波束赋 形计算方法得到每路需要调制的幅值和相位，控制模块中的控制单元（MCU)输出对应的数 字信号，数字信号再经数/模转换器（DAC)转化为调节幅度与相位的控制信号。
[0017] 本发明具有的有益效果是：
[0018] 本发明利用矢量乘法模块在复数域对信号进行调幅调相，不需要像传统的数字波 束赋形技术利用高速ADC直接采样高频或下变频后的中频信号，不再受限于ADC的采样速 率而影响系统的应用范围，同时大幅降低射频前端电路的成本。
[0019] 进一步的，本发明由于在复数域对信号进行调幅和调相，不需要像传统的数字波 束赋形技术要依赖于高速的控制单元，尤其在阵列天线的波束赋形应用中低速的微控制单 元足以达到波束成形的计算要求。
[0020] 进一步的，本发明大幅精简了射频前端电路，减小了传统的数字波束赋形技术由 于下变频产生的噪声问题，提高了系统的稳定性。
【附图说明】
[0021] 图1是本发明系统结构框图。
[0022] 图2是矢量乘法模块及控制模块的结构图。
[0023] 图3是本发明实施例获得的阵列天线调零及波束展宽的测试结果。
[0024] 表1是本发明实施例的阵列天线调零及波束展宽的调节参数。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0026] 如图1所示，本发明包括射频信号放大器、矢量乘法模块、控制模块以及合路器， 阵列天线单元接收的各路信号依次经各自的射频信号放大器、矢量乘法模块后传输到合路 器输出，控制模块分别与各个矢量乘法模块连接，对矢量乘法器在射频信号的复数域调节 信号的幅度与相位进行控制，合路器将各个矢量乘法模块的输出信号合并输出。
[0027] 射频信号放大器采用低噪声放大器，放大信号的同时可抑制部分噪声。
[0028] 如图2所示，矢量乘法模块包括正交功分器和矢量乘法器，射频信号放大器依次 连接正交功分器和矢量乘法器，射频信号放大器放大后的射频信号经正交功分器分成I、Q 两路信号，I、Q两路信号传输到矢量乘法器的两个输入端口，矢量乘法器在复数域中对射频 信号进行调幅与调相后输出一路信号。
[0029] 控制模块包括控制单元（MCU)和数/模转换器（DAC)，矢量乘法模块经数/模转换 器（DAC)与控制单元（MCU)连接，控制单元输出数字控制信号，经数/模转换器转换为模拟 控制信号，模拟控制信号输入到矢量乘法模块的矢量乘法器中，对矢量乘法器调幅与调相 进行控制。
[0030] 数/模转换器（DAC)采用低于IMSPS的的数/模转换器（DAC)。
[0031] 控制单元（MCU)采用36MHz处理频率的低速控制单元（MCU)。
[0032] 本发明系统应用于射频波束赋形方法，是将阵列天线单元接收的各路信号经各自 的射频信号放大器放大后输入到矢量乘法模块，根据波束赋形算法得到每路射频信号需要 调节的幅度和相位，控制模块发出相应的调节幅度与相位的控制信号到各个矢量乘法模 块，使矢量乘法器在复数域对射频信号的幅度与相位进行调节，各个矢量乘法模块输出射 频信号输入到合路器，最后合路器将各个天线单元的射频信号合并输出。
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