一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统及其实现方法

本发明涉及天线工程技术领域，特别是涉及一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统及其实现方法。

背景技术：

在现代愈加复杂的电磁环境下，对天线阵列的设计要求愈加严苛，特别是为了满足特定的应用场景，需要实现特定的天线阵列辐射方向图。传统的波束形成方式包含模拟波束形成、数字波束形成和数字模拟混合波束形成。模拟波束形成通常是在各个天线单元添加数字移相器和数字衰减器来实现指定的馈电幅度与相位，但是不可避免的会存在一定的相位幅度量化误差，从而使得辐射方向图形状产生扭曲。量化误差与数字移相器和数字衰减器的位数有关，位数越高，量化误差就会越小，但是也会带来更高的成本。数字波束形成在数字端进行信号的相位和幅度的控制，控制的精度比较高。但是要将射频模拟信号转化成数字信号，需要高速率的射频模数转化模块，无疑在大规模的天线阵列中难以实现，提高了系统成本。数字模拟混合波束形成则是上面两种波束形成的折中方式，从而降低系统成本提高系统性能。在大规模天线阵列系统中，这几种波束形成方式仍然会存在系统成本高，天线单元端口激励幅相控制精度差等问题，因此新的波束形成技术亟待开拓。

时间调制阵列在1963年提出由w.h.kummer在“ultra-lowsidelobesfromtime-modulatedarrays”提出，其将时间作第四维变量引入到传统的天线阵列当中，通过每个天线单元导通的时间长短，来等效控制每个天线单元端口馈入的平均功率，从而在中心频点实现了具有极低副瓣电平的辐射方向图。此方法采用通断型射频开关来控制天线的通断，只能够实现等效的幅度加权，但是不能控制相位。2015年，a.minyao在“single-sidebandtime-modulatedphasedarray”一文中提出了单边带时间调制阵列，利用i/q调制的思想，能够在没有镜像边带的情况下实现+1阶谐波的任意波束扫描，该方法将-1阶镜像谐波能量转移到+1阶谐波上。尽管该方法能够实现连续的相位变化，但是由于其采用了吸收式的射频开关，导致其能够在+1阶边带上能够实现的最大等效激励幅度为0.61w(假设时间调制器输入功率为1w)，导致大量的能量损失。在公开号为cn110336627b的专利中提出了一种基于时间调制的阵列天线幅相调控系统。该系统中的时间调制模块包括p个矢量调控基本模块，2个p路等功率分配网络，(p-1)个固定相位延迟线。在大大提高了时间调制模块的复杂度时，理论上能够实现实现连续的相位变化同时能够使得时间调制模块输入功率在0w到0.4w之间连续变化。在公开号为cn111370873a的专利中提出了一种基于时间调制的阵列高效率相位调控系统，该系统中的时间调制模块在两层级联的双相位开关模型的基础上，保证可实现连续的相位变化的同时，将时间调制器的理论最大输出功率提升到了0.81w。由于n个时间调制函数具有一致的波形，所以该方法难以在保持高馈电效率的情况下实现幅度加权。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统及其实现方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统，包含一个射频信号生成模块(6)、一个1分n功分器(5)、n个k状态时间调制器(3)、n个功率放大器(2)、n个天线辐射单元(1)、一个时间调制器控制模块(4)；所述k状态时间调制器(3)由k段独立固定长度的延时线(8)和两个单刀k掷开关(7)构成；由射频信号生成模块(6)产生的射频信号先通过1分n功分器(5)分成n路等功率等相位的射频信号，每路射频信号进入时间调制器(3)进行周期性时间调制，然后经过功率放大器(2)放大后由天线辐射单元(1)辐射到自由空间中；其中时间调制器控制模块(4)用于周期性控制k状态时间调制器(3)工作状态，其中k为任意大于3的整数，n为大于2的整数。

作为优选方式，一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统中的k状态时间调制器(3)的k种状态输出信号幅度相同，相对相位分别是：0,单位是弧度。

作为优选方式，一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统的实现方法，具体设计控制k状态时间调制器(3)工作状态的周期性变化的函数gn(t)，使得谐波波束具有可扫描的低副瓣辐射方向图，包括：

步骤一、设计具有n个辐射天线单元(1)的天线阵列和n个k状态时间调制器(3)，搭建基于时间调制阵列的谐波波束形成系统；

步骤二、根据期望的辐射方向图设计出理想的辐射天线单元(1)端口激励分布gnq′，包括激励幅度与相位，并确定所利用的谐波阶数q；

步骤三、利用公式和确定第n个天线单元对应的k状态时间调制器(3)的相位变化斜率∈n和相对于参考单元的相对时延

步骤四、根据公式确定相位变化函数，其中mod(·)为求余函数，round(·)为取最近的整数函数，即时间调制函数为

作为优选方式，一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统的实现方法，k状态时间调制器(3)能够实现天线辐射单元(1)激励幅度和相位全空间连续可调，从而达到谐波波束形成的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)与传统相控阵相比，本发明仅仅通过几段固定的时延线就能够实现全幅度全相位的连续变化，不仅提高了波束形状的控制精度，而且大大降低了系统成本；2)与已有的基于时间调制阵列的谐波波束形成技术相比，本发明中的时间调制模块结构更加简单，可实现的幅相范围更大；3)本发明的所需要的激励幅度与相位可直接通过数学方式计算得到，不需要复杂的优化方法；4)本发明最大的优势在于保持100％高馈电效率的同时，实现任意谐波波束赋形。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考,对于本领域技术人员来讲,在不付出创造性劳动的情况下,还可以根据这些附图得到其它的附图

图1是本发明系统结构图；

图2是图1所示k状态时间调制器(3)具体内部结构；

图3是相位连续线性变化时，在不同谐波阶数q＝-1,0,+1,+2处，傅里叶系数幅度和相位随相位变化斜率之间的关系；

图4是相位离散线性变化(k＝8)时，在不同谐波阶数q＝-1,0,+1,+2处，傅里叶系数幅度和相位随相位变化斜率之间的关系；

图5是实施例一中第n个天线实现激励幅度为0.5，相位为0度时，对应的时间调制函数的相位在一个周期的变化关系；

图6是实施例二中，在q＝+2阶谐波处实现的余割平方波束赋形方向图；

图7是实现图6所示余割平方波束赋形方向图时，对应的期望激励幅度、激励相位、线性相位变化斜率和相对时延等数据。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如图2所示，所述的k状态时间调制器(3)由k段独立固定长度的延时线(8)和两个单刀k掷开关(7)构成。k状态时间调制器(3)的k种状态输出信号幅度相同，相对相位分别是：0,单位是弧度。k状态时间调制器(3)的瞬时工作状态由时间调制器控制模块(4)决定，并且可以用一个周期性变化的时间调制函数gn(t)表示。

为了简化说明一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统的实现方法，并且不失一般性，当第n个天线单元具有线性相位连续变化的时间调制函数gn(t)时，它可以在数学形式上写成：

其中φn(t)表示周期性线性变化函数，∈n表示相位变化斜率，mod(t，tp)表示t除以时间调制周期tp的余数。这里默认在t＝0时刻的初始相位为0°。对gn(t)做傅里叶变换得到其对应的傅里叶系数gnq

其中sinc(x)＝sin(x)/x为辛克函数。

图3是根据式(2)得到的连续相位变化情况下，在谐波阶数分别q＝-1,0,+1,+2时得到的幅度和相位与相位变化斜率之间的关系。从图3中可以看到，在不同的相位斜率情况下，对应得到的傅里叶系数幅度也不一样。这里我们以利用+1阶谐波进行幅相控制说明。当斜率∈ntp在0到4π之间变化时，对应的幅度则在0到1之间变化。当∈ntp＝2π时，有|gn1|＝1。

当k＝8时在离散相位情况下，图4是在谐波阶数分别q＝-1,0,+1,+2时得到的幅度和相位与相位变化斜率之间的关系。由于量化误差，导致幅度相位会有些许波动，但是对+1阶谐波影响较小。当∈ntp＝2π时，有|gn1|＝0.97，存在少量的能量损失。

根据傅里叶变换理论，时域的平移在频域表现为相应的相位移动。假设第n个天线单元对应的时延后时间调制函数为做傅里叶变换得到其傅里叶系数为：

当q＝+1时，可以通过控制相应的时延从而控制对应傅里叶系数相位的变化。

其设计步骤总结如下：

步骤一、设计具有n个辐射天线单元(1)的天线阵列和n个k状态时间调制器(3)，搭建基于时间调制阵列的谐波波束形成系统；

步骤二、根据期望的辐射方向图设计出理想的辐射天线单元(1)端口激励分布gnq′，包括激励幅度与相位，并确定所利用的谐波阶数q；

步骤三、利用公式和确定第n个天线单元对应的k状态时间调制器(3)的相位变化斜率∈n和相对于参考单元的相对时延其中fp＝1/tp为时间调制频率；

步骤四、根据公式确定相位变化函数，其中mod(·)为求余函数，round(·)为取最近的整数函数，即时间调制函数为

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本实施例主要在于说明在时间调制阵列中某个天线单元激励幅度相位控制方法。这里期望能够在第n个天线单元端口在q＝+1谐波频率处得到一个幅度为0.5，相位为0度的激励分布，取k＝8。根据式(2)可以得到结合图4，|gn1|在[2π,4π]之间单调递减，所以可以得到对应的相位变化斜率满足∈ntp≈3.18π。但在此时，在实现对应幅度的同时，由式(2)中的项引入的相位为0.59π。此相位可以由式(3)中的相对时延进行控制，当时，正好可以补偿项引入的相位。因此我们可以看到时延不仅与阵列激励相位有关，而且与激励幅度也有关系。图5为对应时序在一个时间调制周期内相位随时间变化关系图。

实施例二：

本实施例主要在于说明一种高效的时间调制阵列谐波波束赋形系统的实现方法的高效性。考虑n＝30个天线辐射单元，单元间距为半个波长的均匀直线阵列，该系统结构图与图1类似，取k＝8。拟在q＝+2阶谐波处实现余割平方波束赋形方向图。图6为在q＝+2阶谐波处的辐射方向图，可以看到，其形状与预期的形状一致，达到了很好的谐波波束形成效果。在此期望谐波辐射方向图前提下，对应的期望激励幅度、激励相位、线性相位变化斜率和相对时延等数据在图7中给出。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。