本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及陣列信號處理，具體來說是一種基于多時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線陣，可用于雷達(dá)、通信領(lǐng)域要求低副瓣低邊帶方向圖的場合。

背景技術(shù)：

在無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，單一天線的輻射性能是有限的，為了滿足多種應(yīng)用場景對天線系統(tǒng)輻射性能的不同需求，將工作在同一頻率的多個(gè)單一天線，按照一定的方式排布，構(gòu)成天線陣列，也就是天線陣。天線單元按其在空間上排布的不同方式主要分為以下三類，一維排布的天線陣，構(gòu)成了均勻或稀布直線陣；二維排布的天線陣，構(gòu)成了面陣或者圓環(huán)陣；三維排布的天線陣，構(gòu)成了共形面陣或體陣。但是在工程應(yīng)用中，往往要求天線陣的輻射方向圖具有高方向性系數(shù)和低副瓣的特點(diǎn)，空間三維排布的設(shè)計(jì)自由度已經(jīng)很難滿足通信和雷達(dá)系統(tǒng)對天線陣的性能的苛刻要求。因此，利用時(shí)間這一維自由度，發(fā)展時(shí)間調(diào)制技術(shù)，將天線單元在時(shí)間維布陣，構(gòu)成四維天線陣就成為了新一代無線通信和雷達(dá)探測技術(shù)發(fā)展的重要突破口。1963年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室的kummer等人首次將時(shí)間調(diào)制技術(shù)應(yīng)用一個(gè)八元開槽波導(dǎo)陣列中，實(shí)現(xiàn)了-39.5db的超低副瓣電平。時(shí)間調(diào)制陣僅僅是四維天線陣的一種形式。四維天線陣通過控制天線單元的通斷對發(fā)射信號進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，在中心頻率產(chǎn)生等效加權(quán)實(shí)現(xiàn)低副瓣。但是，與此同時(shí)在中心頻率之外產(chǎn)生諧波，稱這一現(xiàn)象為邊帶效應(yīng)或邊帶輻射。在實(shí)現(xiàn)中心頻率低副瓣的同時(shí)，邊帶信號對期望信號產(chǎn)生干擾。四維天線陣作為一種新型陣列形式，在雷達(dá)和通信領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景，其在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用潛力使四維天線陣的研究成為新一代無線通信的重要發(fā)展方向。近年來，歐洲、亞洲等地的學(xué)者展開了對四維天線陣的研究，利用其在低副瓣的性能優(yōu)勢，發(fā)揮到脈沖多普勒雷達(dá)、單脈沖測向和保密通信等應(yīng)用當(dāng)中。

四維天線陣的邊帶輻射，在綜合低副瓣方向圖時(shí)，會對中心頻率信號產(chǎn)生干擾，影響其低副瓣的性能、降低天線陣方向性系數(shù)。因此，需要對邊帶輻射進(jìn)行抑制。已有報(bào)道的邊帶抑制方法，大多采用，例如遺傳算法、差分進(jìn)化算法、粒子群算法、模擬退火算法等優(yōu)化算法對對控制時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是，僅僅通過對控制時(shí)序的優(yōu)化來降低邊帶電平，其抑制效果有限，例如，利用遺傳算法(j.fondevilaetal.,“optimizinguniformlyexcitedlineararraysthroughtimemodulation,”ieeeantennaswirelesspropag.lett.,vol.3,pp.298–301,2004.),粒子群算法(l.polietal.,“handlingsidebandradiationsintime-modulatedarraysthroughparticleswarmoptimization,”ieeetrans.antennaspropag.,vol.58,no.4,pp.1408–1411,apr.2010.)，差分進(jìn)化算法(s.yangetal.,“sidebandsuppressionintimemodulatedlineararraysbythedifferentialevolutionalgorithm,”ieeeantennaswirelesspropag.lett.,vol.1,pp.173–175,2002.)等等，也有采用基于切比雪夫加權(quán)的非均勻時(shí)間調(diào)制周期方法(c.heetal.,“sidebandradiationlevelsuppressionintime-modulatedarraybynonuniformperiodmodulation,”ieeeantennaswirelesspropag.lett.,vol.14,pp.606–609,2015.)。但上述方法都僅僅局限在對優(yōu)化算法的研究，對于陣列硬件設(shè)計(jì)并沒有進(jìn)一步說明。在與四維天線陣相關(guān)的專利中，報(bào)道了四維天線陣列的優(yōu)勢，如中國專利(李鋼等，“基于時(shí)間調(diào)制的天線陣列相位控制技術(shù)及其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)”，cn101609931b，2012；楊仕文等，“一種基于單刀多擲開關(guān)的四維天線陣”，cn102646874b，2015)報(bào)道了一些四維天線陣的實(shí)現(xiàn)形式，使天線陣列不需要使用移相器就可以實(shí)現(xiàn)波束空間電掃描，但沒有報(bào)道邊帶抑制的方法。

本發(fā)明基于前人在四維天線陣邊帶抑制方法方面的研究工作，提出了一種基于多時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線陣邊帶抑制新方法。本發(fā)明對四維天線陣開關(guān)控制結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)改進(jìn)，使用一組多時(shí)間調(diào)制頻率的控制時(shí)序，大大降低了以往采用單一時(shí)間調(diào)制頻率造成的高邊帶電平，降低了邊帶輻射的峰值功率。并且在優(yōu)化控制時(shí)序的方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，與傳統(tǒng)優(yōu)化算法綜合低副瓣方向圖方法不同，根據(jù)多時(shí)間調(diào)制頻率邊帶電平的性質(zhì)，通過合理改進(jìn)優(yōu)化流程，縮短了同時(shí)綜合中心頻率低副瓣方向圖和抑制邊帶輻射的優(yōu)化算法所需的時(shí)間。本發(fā)明可以利用多時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線陣，實(shí)現(xiàn)中心頻率低副瓣和抑制邊帶輻射，減小邊帶輻射對信號傳輸?shù)母蓴_。最大的創(chuàng)新在于利用多時(shí)間調(diào)制頻率，對四維天線陣的邊帶進(jìn)行抑制。所提出的方法利用多時(shí)間調(diào)制頻率的控制時(shí)序，大大降低了四維天線陣優(yōu)化的復(fù)雜度，提高了波束賦形速度，實(shí)現(xiàn)了低副瓣低邊帶的應(yīng)用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景，目的在于對現(xiàn)有技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題加以研究和解決，提出了一種基于多時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線陣邊帶抑制方法,利用多時(shí)間調(diào)制頻率對四維天線陣的時(shí)序進(jìn)行控制，解決了四維天線陣在綜合低副瓣方向圖的同抑制邊帶輻射的應(yīng)用中，由于低副瓣對加權(quán)要求苛刻，僅采用優(yōu)化算法對邊帶輻射難以抑制等問題。

本發(fā)明的基本技術(shù)方案是：

該裝置主要包括8單元均勻直線陣列、功分器、射頻開關(guān)電路、現(xiàn)場可編程門陣列fpga單元和時(shí)間同步裝置。其中fpga單元包括：計(jì)算機(jī)接口通信模塊、射頻開關(guān)時(shí)序控制模塊。fpga電路板主要完成兩項(xiàng)功能，一是產(chǎn)生不同占空比的射頻開關(guān)控制信號；二是8種不同時(shí)間調(diào)制頻率的信號。每個(gè)射頻開關(guān)控制一個(gè)天線單元通道，在各自的調(diào)制周期內(nèi)，根據(jù)fpga產(chǎn)生的控制時(shí)序選擇導(dǎo)通或者斷開。對于每個(gè)單元來說，這種周期性的通斷會對發(fā)射信號進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，在中心頻率附近產(chǎn)生等頻率間隔的諧波；對于整個(gè)陣列來說，不同的時(shí)間調(diào)制頻率使諧波信號產(chǎn)生的位置不同，故不能疊加，從而降低邊帶輻射。通過合理設(shè)計(jì)開關(guān)通斷時(shí)間序列可以實(shí)現(xiàn)天線單元在中心頻率上的幅度加權(quán)，從而向?qū)崿F(xiàn)低副瓣。

利用上述方法對四維天線陣邊帶進(jìn)行抑制的過程如下：

1)根據(jù)所需發(fā)射信號的要求，設(shè)置四維天線陣各個(gè)單元的時(shí)間調(diào)制頻率，利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化并得到四維天線陣工作的最優(yōu)時(shí)序；

2)將四維天線陣時(shí)序經(jīng)由計(jì)算機(jī)接口通信電路傳送給fpga單元進(jìn)行保存和處理，并產(chǎn)生對射頻開關(guān)的控制時(shí)序；

3)射頻開關(guān)控制電路按預(yù)設(shè)時(shí)序?qū)刂泼恳惶炀€單元的射頻開關(guān)，進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，每一天線單元的發(fā)射信號在空間中疊加，形成低副瓣低邊帶方向圖。

本發(fā)明的創(chuàng)新在于使用了四維天線陣的多時(shí)間調(diào)制頻率抑制邊帶輻射，從邊帶形成的物理本質(zhì)上對進(jìn)行抑制。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)大幅度降低邊帶電平，采用多時(shí)間調(diào)制頻率，從邊帶形成的物理本質(zhì)出發(fā)，降低了邊帶輻射電平；

2)易于實(shí)現(xiàn)，在硬件方面，與采用單一時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線一致，僅改變控制射頻開關(guān)的時(shí)序；

3)降低優(yōu)化難度，本基于多時(shí)間調(diào)制頻率的邊帶抑制方法，在利用優(yōu)化技術(shù)的過程中利用新的邊帶計(jì)算方法，降低了優(yōu)化所需的計(jì)算量。

本發(fā)明的特點(diǎn)是采用單個(gè)線性調(diào)頻信號源作為饋源，有效地減少了dds芯片及放大器的數(shù)量，進(jìn)而降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，達(dá)到多載頻信號發(fā)射系統(tǒng)小型化的目的。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為一種基于多時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線陣邊帶抑制方法的四維天線陣結(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明中吸收式射頻開關(guān)結(jié)構(gòu)圖，其中11是0度相位延遲線，12是50歐姆匹配電阻，13是ttl信號開關(guān)芯片控制線，14是單刀雙擲射頻開關(guān)。

圖3為一種基于多時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線陣邊帶抑制方法的優(yōu)化流程圖。

圖4為一種基于多時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線陣邊帶抑制方法的低邊帶電平原理圖，其中左半部分表示單時(shí)間調(diào)制頻率邊帶信號的形成，右邊表示多時(shí)間調(diào)制頻率邊帶信號的形成，從圖中可以看出，采用多時(shí)間調(diào)制頻率讓各個(gè)單元的邊帶信號不在相同位置疊加，這樣可以使四維天線陣列的邊帶顯著降低。

圖5為一種16單元基于均勻頻率間隔的多時(shí)間調(diào)制頻率的四維天線陣邊帶抑制方法的開關(guān)時(shí)序圖，其中陰影部分表示開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間，空白部分表示斷開時(shí)間。

圖6為按本發(fā)明圖5時(shí)序控制的16單元四維天線陣列在中心頻率和最高邊帶電平方向圖。

具體實(shí)施方案

參照圖3，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)低副瓣低邊帶的過程如下：

1)根據(jù)陣列所需的增益和方向圖的副瓣電平要求，設(shè)置四維天線陣的單元數(shù)量和各單元的時(shí)間調(diào)制頻率。該時(shí)間調(diào)制頻率是指四維天線陣開關(guān)周期性通斷的重復(fù)頻率。其中第k個(gè)單元的時(shí)間調(diào)制頻率為fpk，uk(t)為第k個(gè)單元的開關(guān)控制函數(shù)：

其中第k個(gè)單元在中心頻率和第m邊帶的等效加權(quán)為，

τ^k,為第k個(gè)單元的歸一化導(dǎo)通時(shí)長。

2)優(yōu)化四維天線陣時(shí)序，預(yù)先采用參照圖3多時(shí)間調(diào)制頻率的優(yōu)化算法對時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化，求得最佳值；

3)傳送參數(shù)，即由計(jì)算機(jī)接口通信電路將四維天線陣時(shí)序傳送給fpga；

4)接收和保存，即由fpga單元的計(jì)算及接口模塊將四維天線陣時(shí)序接收后保存；

5)fpga產(chǎn)生控制時(shí)序，控制射頻開關(guān)按預(yù)設(shè)時(shí)序控制該路的通斷。通過時(shí)鐘控制使開關(guān)通斷的時(shí)刻與信號產(chǎn)生的時(shí)刻同步；

6)射頻開關(guān)按預(yù)設(shè)時(shí)序?qū)υ撀返木€性調(diào)頻信號進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，每一路信號經(jīng)過時(shí)間調(diào)制向天線單元傳輸信號；

7)天線單元將時(shí)間調(diào)制后的信號發(fā)射，每一天線單元的發(fā)射信號在空間中疊加，形成低副瓣低邊帶方向圖的輸出，其陣因子如下：

實(shí)施例：基于8單元四維天線陣的多時(shí)間調(diào)制頻率邊帶抑制方法

參照圖1，本實(shí)施例中采用8個(gè)半波長等間距分布的全向性陣列單元構(gòu)成四維天線陣。該陣列天線主要包括8個(gè)天線單元、8個(gè)受ttl信號控制的吸收式射頻開關(guān)、1分8功分器、fpga電路板和信號源。所有的開關(guān)由fpga電路板產(chǎn)生的不同頻率的ttl信號控制。

通過采用優(yōu)化算法優(yōu)化吸收式射頻開關(guān)的通斷選擇時(shí)序，可以在等幅同相饋電的情況下實(shí)現(xiàn)向側(cè)射方向低副瓣低邊帶方向圖，圖5是采用優(yōu)化算法優(yōu)化得出的各個(gè)單元的控制時(shí)序，其中黑色陰影部分表示開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，空白部分表示開關(guān)處于斷開狀態(tài)。圖6為工作在多載頻信號發(fā)射狀態(tài)的四維天線陣在一個(gè)時(shí)間調(diào)制周期內(nèi)在中心頻率和正負(fù)四個(gè)邊帶的方向圖。可見，中心頻帶實(shí)現(xiàn)了-30db方向圖，而邊帶電平為-36.94db。因此，在此狀態(tài)下，可以利用8單元直線陣工作在發(fā)射或接收狀態(tài)同時(shí)實(shí)現(xiàn)低副瓣和低邊帶的設(shè)計(jì)要求。由于控制每個(gè)天線單元的射頻開關(guān)工作在不同頻率，參照圖4的原理，邊帶輻射大大降低，對中心頻率的干擾也大大降低。產(chǎn)生的低副瓣低邊帶方向圖可以應(yīng)用在點(diǎn)對點(diǎn)通信或雷達(dá)系統(tǒng)中，有在巨大應(yīng)用潛力。

以上是向熟悉本發(fā)明領(lǐng)域的工程技術(shù)人員提供的對本發(fā)明及其實(shí)施方案的描述，這些描述應(yīng)被視為是說明性的，而非限定性的。工程技術(shù)人員可據(jù)此發(fā)明權(quán)利要求書中的思想做具體的操作實(shí)施，自然也可以據(jù)以上所述對實(shí)施方案做一系列的變更。上述這些都應(yīng)被視為本發(fā)明的涉及范圍。