专利名称：一种基于单刀多掷开关的四维天线阵的制作方法
技术领域：
本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种新颖的阵列天线，具体来说是一种基于单刀多掷开关的四维天线阵。
背景技术：
传统相控阵天线在综合低/超低副瓣方向图时，激励幅度动态范围比往往非常高，从而导致对馈电网络的精度要求过高，有时在实际中甚至无法实现。将时间变量引入到具有空间三维变化的常规天线阵中构成的四维天线阵，可将空间阵元的幅度和相位加权通过时间加权的方式实现，从而增加了天线阵的设计自由度，使得四维天线阵相对于常规天线阵具有更多的设计优势，例如实现均匀激励下低副瓣、实现多波束扫描等。由于四维天线阵是在传统的阵列天线上引入时间维，它又叫时间调制阵列天线。 四维天线阵的概念最初于1959年由美国休斯飞机公司(Hughes Aircraft Company)的Shanks和Bickmore等人提出。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。1983年，美国海军研究室的Lewis等人提出利用相位中心运动等时间调制技术，将天线阵的副瓣移至雷达通带之夕卜，从而实现通带内的低副瓣。除了低副瓣等性能优势外，四维天线阵还可以利用不同边带的信号实现同时多波束扫描等功能。目前，已先后有西班牙、英国、意大利、土耳其、印度等国家的学者展开了对四维天线阵的研究。在国内，仅有电子科技大学展开了相关研究工作，研究水平处于国际同行前列。现有的四维天线阵结构均采用吸收式单刀单掷开关来实现阵列单元的时间加权，一个阵列单元对应一个单刀单掷开关。采用此种结构设计，存在多种缺陷。例如，需要的开关数目过多，使得阵列造价增加；设计优化时需要优化的时间控制变量过多；由于开关的通断，瞬态方向性系数不稳定；由于开关断开时对发射或者接受能量的吸收，馈电网络效率降低，从而使得阵列增益过低。因此，寻求一种新的结构设计对于实现四维天线阵的工程应用具有重要意义。
发明内容
鉴于上述技术背景，本发明提出了一种基于单刀多掷开关的四维天线阵结构设计，目的在于解决由单刀单掷开关造成的阵列天线增益低、造价高、瞬态方向性系数变化剧烈、带宽窄等问题。本发明的基本方案是四维天线阵由天线单元、移相器、可变幅度衰减器、单刀多掷(包含双掷)开关、功分器、FPGA电路板和滤波器组成；FPGA电路板控制所有的单刀多掷开关的周期性通断，每个单刀多掷开关控制多个(包含两个)天线单元通道，每个时刻选择导通一路通道，开关不存在悬置状态，通过合理设计开关导通时序实现天线单元的幅度和相位加权；四维天线阵用于接收时，来波通过天线单元、移相器、可变幅度衰减器后，到达单刀多掷开关，通过FPGA电路板控制单刀多掷开关在多路(包含两路)输入信号中选择一路信号连通至功分器，最后通过滤波器分离出中心频带信号和边带信号，根据具体应用做相应的信号处理；四维天线阵用于发射时，发射信号绕过滤波器组件，直接通过功分器连通至单刀多掷开关，FPGA电路板控制单刀多掷开关在多路(包含两路)输出通道中选择一路连通，分路信号通过可变幅度衰减器、移相器后由天线单元辐射出去。本发明的创新在于使用了单刀多掷开关(包括单刀双掷开关)取代传统四维天线阵中的单刀单掷开关。与现有技术相比，本发明具有以下优点I.使用单刀多掷开关取代传统四维天线阵中的单刀单掷开关，极大的简化了四维天线阵的结构，例如减少功分器数目甚至取代功分器；2.极大的提高了天线的增益，采用单刀单掷开关，在开关断开时刻，存在着馈电网络能量吸收损耗，使天线效率降低，而使用单刀多掷开关，不存在断开时刻的吸收损耗，理论上天线增益与天线方向性系数相等； 3.多个天线单元受同一开关控制，天线单元不再是独立的，阵列综合时，在优化变量减少，运算复杂度降低的情况下，天线性能并不会受到明显影响；4.天线阵列瞬态增益恒定，即使发射一个宽带信号(信号带宽大于开关调制频率)，在主射方向由于幅度相位没有受到调制或者说不存在边带信号，信号波形不会发生畸变；5.本天线结构可用于低副瓣雷达系统、多波束雷达系统和保密通信系统中。当它应用于低副瓣雷达系统时，如实施例I所示，当发射一个窄带信号(带宽小于调制频率)时，通过开关实现各个单元的等效幅度加权，可以在中心频带得到一个低副瓣方向图。当它应用于多波束雷达系统时，如实施例2所示，7个不同指向的波束在中心频带和边带分别形成，通过合适的滤波措施，可以得到7个不同频带的信号信息。当它应用于保密通信系统时，如实施例I所示，当发射一个宽带信号(带宽大于调制频率)时，主射方向波形未受调制，保留传输信息；主射方向以外，信号受时间开关调制，波形发生畸变，信息受到破坏，从而具有保密通信的作用。
图I为本发明中的基于单刀双掷开关的低副瓣四维天线阵结构图，其中⑴是天线单元，(2)是可变移相器，(3)是可变幅度衰减器，(4)是单刀双掷高速射频开关，(5)是功分器，(6)是FPGA电路板，(7)是滤波器。图2为基于单刀双掷开关的低副瓣四维天线阵所采用的开关时序图，其中阴影部分表示开关导通。图3为基于单刀双掷开关的低副瓣四维天线阵在一个时间调制周期内不同时刻的瞬态方向图。图4为基于单刀双掷开关的低副瓣四维天线阵在中心频率和正负各十二个边带的方向图，通过合适的窄带滤波器可以在中心频带得到低副瓣方向图。图5为基于单刀双掷开关的低副瓣四维天线阵在中心频率和正第一第二边带方向图。图6为本发明中的基于单刀八掷开关的多波束四维天线阵结构图，其中(I)是天线单元，(6)是FPGA电路板，(7)是滤波器，(8)是单刀八掷高速射频开关。图7为基于单刀八掷开关的多波束四维天线阵所采用的开关时序图，其中阴影部分表示开关导通。
图8为基于单刀八掷开关的多波束四维天线阵的中心频率以及正负各三个边带的方向图，通过合适的滤波器可以在7个频带(包过中心频带和正负各三个边带)内发射或者接收7个不同指向的波束，实现多波束扫描。
具体实施例方式实施例I :基于单刀双掷开关的16单元低副瓣四维天线阵结构设计参照图1，本实施例中采用16个全向性阵列单元构成的四维天线阵。该阵列天线主要包括个天线单元(I)、移相器(2)、可变幅度衰减器(3)、单刀双掷开关(4)、功分器(5)、FPGA电路板(6)和滤波器(7)。在该对称阵列结构中，天线单元为半波长等间距分布。左右两边各6个单元(编号1-6和11-16)受单刀双掷开关控制，中间四个单元(编号7-10)不接开关。所有的开关由FPGA电路板控制。不同于传统的四维天线阵，本专利中采用单刀双掷开关同时控制两路天线单元通道，例如左边第一个开关控制I号和6号天线单元，第二个开关控制2号和5号单元，第三个开关控制3号和4号单元，开关不存在悬置状态。通过采用优化算法优化单刀双掷开关的转换选择，可以在等幅同相馈电的情况下实现_30dB的低副瓣方向图，图2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。需要说明的是，中间7-10号四个单元由于没有接开关，它们的导通时间在图2上显示为全部导通。图3为该低副瓣四维天线阵在一个时间调制周期内不同时刻的瞬态方向图。从图上可以看出，该阵列天线的瞬态方向性系数稳定。由于该阵列天线一直有10个单元处于工作状态，结合相关公式可以计算出该阵列天线单元的瞬态方向性系数和增益均为10。图4为该低副瓣四维天线阵在中心频率和正负各十二个边带的方向图，通过合适的滤波器(7)可以在中心频率附近得到-30dB的低副瓣方向图。为了更直观的观察该天线的辐射特性，图5给出了中心频率和正第一第二边带的归一化方向图。由图5可见，中心频率上方向图副瓣为-30dB，同时，第一第二边带的最高边带电平被抑制到-17. 5dB以下。结合图3至图5，我们可以发现，该天线的方向图在侧向(0°方向)未被调制，从而在此方向不存在边带信号，在图3上表现为波束峰值一直稳定在10dB，在图4和图5上表现为边带方向图零深。当该天线用于发射一个带宽大于调制频率的宽带信号时，在侧向(0°方向)的信号没有受到调制，不会存在信号混叠失真现象，是可以被解调出来的，而在非侧向也非零深方向，存在边带信号，信号由于受到调制波形发生畸变，是不能被解调出来的。根据这种特性，该天线结构适用于无线宽带保密通信系统中。在本实施例中，我们将基本方案中的四维天线阵收发阵列假定为幅度相位均为均匀激励的情况下进行，而阵列单元为半波长等间距分布。本发明中的阵列天线还可以结合移相器(2)和衰减器(3)实现其他的波束设计，如超低副瓣波束、扫描波束、赋形波束等。实施例2 :基于单刀八掷开关的8单元多波束四维天线阵结构装置参照图6，本实施例中采用由8个全向性阵列单元构成的四维天线阵，该阵列天线结构由8个天线单元(I)、FPGA电路板(6)、滤波器(7)和单刀八掷开关⑶组成。单刀八掷开关依次导通8个单元，在一个调制周期内，每个单元导通0. 125个周期。图7是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。图8为数值仿真得到的方向图，包括中心频率和正负各三个边带的方向图。由图8可见，不同边带的信号分别指向不同的角度，他们的峰值电平相差3dB电平范围以内。由于七个波束分布在不同的频带，通过合适的梳妆滤波器，可以实现不同频段内的同时多波束扫描功能。由于每个时刻只有一个天线单元在工作，该阵列天线的瞬态方向性系数为I。在本实施例中，我们是将实施例I中的移相器、衰减器、功分器去掉，天线单元减 少为8个，并采用单刀八掷开关替代单刀双掷开关。在实际应用中可以不限于单刀八掷开关。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。
权利要求
1.一种基于单刀多掷开关的四维天线阵，其特征在于它包括由天线单元组成的天线阵列(I)、移相器(2)、可变幅度衰减器(3)、单刀多掷(包含双掷)开关(4)、功分器(5)、FPGA电路板(6)和滤波器(7) ；FPGA电路板(6)控制所有的单刀多掷开关⑷的周期性通断，每个单刀多掷开关控制多个(包含两个)天线单元通道，每个时刻选择导通一路通道，开关不存在悬置状态，通过合理设计开关导通时序实现天线单元的幅度和相位加权；四维天线阵用于接收时，通过滤波器(7)分离出中心频带信号和边带信号，根据具体应用做相应的信号处理；四维天线阵用于发射时，滤波器(7)去掉。
2.根据权利要求I所述的一种基于单刀多掷开关的四维天线阵，其特征在于它用一组 单刀双掷开关和窄带滤波器实现低副瓣方向图综合。
3.根据权利要求I所述的一种基于单刀多掷开关的四维天线阵，其特征在于它用一个单刀八掷开关和梳状滤波器实现同时多波束扫描。
4.根据权利要求I所述的一种基于单刀多掷开关的四维天线阵，其特征还在于它具有稳定的瞬态方向性系数，不会对阵列侧向(0°方向)的信号进行调制；当它发射带宽大于调制频率的宽带信号时，只有在侧向的信号可以被解调出来，其他方向信号由于波形畸变不能被解调，适用于无线宽带保密通信系统。
全文摘要
本发明公开了一种基于单刀多掷开关的四维天线阵。其基本结构包括天线单元、移相器、可变幅度衰减器、单刀多掷射频开关、功分器、FPGA电路板和滤波器等。本发明最大的创新在于用单刀多掷开关取代传统四维天线阵中的单刀单掷开关。相比较之前的单刀单掷开关四维天线阵，本发明提出的结构设计只使用少量的射频开关，在综合低副瓣或者多波束方向图时极大地提高了天线的增益，同时保证天线的瞬态方向性系数或增益在调制周期内稳定不变。合理改变本天线的尺寸，即可构成本发明的其它具体实施方案。本发明用于无线通信和雷达系统中。
文档编号H01Q21/00GK102646874SQ20121011826
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者姚瑞林, 朱全江, 李冰, 杨仕文, 聂在平, 黄明 申请人:电子科技大学