三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天线工程技术领域，特别是一种三频三功能时间调制和非时间调制可 重构共孔径天线阵。
【背景技术】
[0002] 随着通信与雷达技术的迅速发展，各种电子系统对天线系统提出了越来越苛刻的 要求，使得多功能、高性能、低成本、小型化的天线系统越来越受关注。时间调制天线阵是指 在常规天线阵设计中引入时间变量，通过接入阵元中的高速射频开关按照预定的开关工作 时序去控制每一个天线单元的工作状态，使天线阵的口径尺寸随时间变化，即具有时间调 制特性。时间调制天线阵将空间阵元的幅度和相位加权通过时间加权的方式实现，简化了 馈电网络结构以及降低了馈电复杂度，同时由于时间调制天线阵的时间调制特性，具有许 多特有的辐射特性，可以满足当代对高性能、低成本天线系统的要求。近年来，国内外学者 展开了对时间调制天线阵的广泛研究，一方面研究采用新颖的时间序列和改进的优化算法 来抑制边带效应实现低副瓣方向图综合，另一方面研究利用时间调制天线阵的多边带特性 实现波束扫描、自适应波束形成、以及单脉冲测向等功能。时间调制天线阵由于增加了常规 天线阵的设计自由度，使其在现代无线系统中有着广泛的应用前景。
[0003] 方向回溯天线是一种具有自跟踪波束扫描特性的智能天线，它能够自动跟踪来波 方向，而不需要来波方向的先验知识和复杂的数字信号处理算法。方向回溯阵列的两种主 要实现方式为范阿塔天线阵和相位共辄天线阵。范阿塔天线阵由成对的阵列单元组成，单 元天线关于几何中心对称排列，天线单元对用等长的传输线连接。范阿塔天线阵设计简单 且经济成本低，但只适用于平面入射波和平面结构情况。相位共辄天线阵利用外差混频的 技术来完成相位共辄从而实现方向回溯功能，其相位共辄技术是波前重构，每个天线单元 单独实现相位共辄而不依赖于天线对，这一特点使其适用于非平面入射波和非平面结构情 况。方向回溯阵列天线具有快速跟踪和高性价比的特点，在通信和雷达领域具有广泛的应 用前景。
[0004] 由上可知，现有天线系统只能实现时间调制或者方向回溯单一功能，无法在同一 天线阵列中实现时间调制、方向回溯和时间调制方向回溯三功能。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天 线阵。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0007] -种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，包括2N个天线单 元、2N个单刀单掷开关、一个开关控制电路、个三通道选择器、2N个双工器、2N个 相位共辄混频器、2N个移相器、一个2N路功率分配器、一个2N路功率合成器、一个本振源和 一个接收机，N为正整数；
[0008] 每个天线单元与一个对应的单刀单掷开关相连，所述开关控制电路与所有的单刀 单掷开关相连，控制单刀单掷开关周期性通断；
[0009] 当N= 1，两个单刀单掷开关与三通道选择器的两个输入端相连，三通道选择器的 两个输出端分别与两个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别与相位共辄混频器和移 相器相连，两个相位共辄混频器与二路功率分配器相连，二路功率分配器与本振源相连；两 个移相器与二路功率合成器相连，二路功率合成器与接收机相连；
[0010] 当N彡2,t'VL'V+D个三通道选择器为N层排列，第1~N层的三通道选择器数 2 量分别为1~N个，相邻两层的较上一层三通道选择器的两个输出端分别与较下一层两个 不同的三通道选择器的输入端相连，每层三通道选择器空出的两个输入端分别与两个单刀 三掷开关的第二导通通道相连，第N层三通道选择器的2N个输出端分别与2N个双工器相 连，每个双工器的两个输出端分别与相位共辄混频器和移相器相连，2N个相位共辄混频器 与2N路功率分配器相连，2N路功率分配器与本振源相连；2N个移相器与2N路功率合成器 相连，2N路功率合成器与接收机相连；
[0011] 当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关处于周期性通断状态时，实现不同工作 频率上的时间调制天线阵功能、时间调制范阿塔天线阵功能和时间调制相位共辄天线阵功 能；当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关一直处于导通状态时，实现不同工作频率上 的均匀线阵功能、范阿塔天线阵功能、相位共辄天线阵功能。
[0012] 本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0013] (1)本发明通过时间调制技术和方向回溯技术实现三频三功能时间调制和非时间 调制可重构共孔径天线阵，具有多频多功能特点，既满足了天线系统多个工作频段的要求， 又减小了多个阵列天线对天线空间的要求，实现了天线系统的多频化、多功能化、小型化和 智能化。
[0014] (2)本发明通过控制时间序列实现了在三频三功能时间调制共孔径天线阵和三频 三功能非时间调制共孔径天线阵之间的自由切换，具有重构简单、复杂度低和精确度高等 优点。
[0015] (3)本发明采用一个天线阵系统实现了时间调制天线阵功能、时间调制范阿塔天 线阵功能和时间调制相位共辄天线阵功能，以及均匀线阵功能、范阿塔天线阵功能和相位 共辄天线阵功能。
[0016] (4)本发明中的时间调制范阿塔天线阵和时间调制相位共辄天线阵采用时间调制 技术实现天线单元的幅度加权，得到了低副瓣回溯远场，具有高性能、高精度和低成本等特 点。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵的结构 图。
[0018] 图2为本发明实施例中三通道选择器在频率fRF1、fRF2和f_的传输原理图。
[0019] 图3为本发明实施例中双工器在频率fRF1和f_的传输原理图。
[0020] 图4为本发明实施例中工作在频率fRF1时的相位关系图，其中（0 0 2, 0 3, 0 4) 为相位补偿线段的不同电长度，kH=fRF1/fRF3。
[0021] 图5为本发明实施例中工作在频率fRF2时的相位关系图，其中kM=fRF2/fRF3。
[0022] 图6为本发明实施例中工作在频率fRF3时的相位关系图。
[0023] 图7为本发明实施例中的两种开关时序图，其中黑色阴影部分表示开关处于导通 状态。
[0024] 图8为本发明实施例中基于时间序列I工作在三频三功能时间调制模式时的方向 图。
[0025] 图9为本发明实施例中基于时间序列II工作在三频三功能非时间调制模式时的 方向图。
【具体实施方式】
[0026] 本发明的一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，包括2N 个天线单元、2N个单刀单掷开关、一个开关控制电路、个三通道选择器、2N个双工 器、2N个相位共辄混频器、2N个移相器、一个2N路功率分配器、一个2N路功率合成器、一个 本振源和一个接收机，N为正整数；
[0027] 每个天线单元与一个对应的单刀单掷开关相连，所述开关控制电路与所有的单刀 单掷开关相连，控制单刀单掷开关周期性通断；
[0028] 当N= 1，两个单刀单掷开关与三通道选择器的两个输入端相连，三通道选择器的 两个输出端分别与两个双工器相连，每个双工器的两个输出端分别与相位共辄混频器和移 相器相连，两个相位共辄混频器与二路功率分配器相连，二路功率分配器与本振源相连；两 个移相器与二路功率合成器相连，二路功率合成器与接收机相连；
[0029] 当N彡2, 个三通道选择器为N层排列，第1~N层的三通道选择器数 量分别为1~N个，相邻两层的较上一层三通道选择器的两个输出端分别与较下一层两个 不同的三通道选择器的输入端相连，每层三通道选择器空出的两个输入端分别与两个单刀 三掷开关的第二导通通道相连，第N层三通道选择器的2N个输出端分别与2N个双工器相 连，每个双工器的两个输出端分别与相位共辄混频器和移相器相连，2N个相位共辄混频器 与2N路功率分配器相连，2N路功率分配器与本振源相连；2N个移相器与2N路功率合成器 相连，2N路功率合成器与接收机相连；
[0030] 当开关控制电路控制四个单刀单掷开关处于周期性通断状态时，实现不同工作频 率上的时间调制天线阵功能、时间调制范阿塔天线阵功能和时间调制相位共辄天线阵功 能；当开关控制电路控制所有的单刀单掷开关一直处于导通状态时，实现不同工作频率上 的均匀线阵功能、范阿塔天线阵功能、相位共辄天线阵功能。
[0031] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
[0032] 实施例
[0033] 结合图1，一种三频三功能时间调制和非时间调制可重构共孔径天线阵，包括四个 天线单元1、四个单刀单掷开关2、一个开关控制电路3、三个三通道选择器4、四个双工器5、 四个相位共辄混频器6、四个移相器7、一个四路功率分配器8、一个四路功率合成器9、一个 本振源10和一个接收机11 ;
[0034] 四个天线单元分别与四个单刀单掷开关相连，阵列中间两个单刀单掷开关与一个 三通道选择器的两个输入端相连，三通道选择器的两个