一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置，其基本結(jié)構(gòu)包括由8個天線單元組成的天線陣、8路0/180度相位選擇開關(guān)、時鐘及驅(qū)動電路、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA單元和直接數(shù)字頻率合成DDS電路。本發(fā)明利用四維天線陣和單一DDS支路，產(chǎn)生和發(fā)射頻率等間距分布在中心頻率附近的多載頻信號。通過控制射頻開關(guān)的切換，對每一天線單元信號進(jìn)行時間調(diào)制，同時綜合各個邊帶方向圖，向特定方向發(fā)射多載頻信號。選用0/180度相位選擇開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)四維天線陣中的吸收式開關(guān)，大大提高了陣列饋電網(wǎng)絡(luò)效率。本發(fā)明采用單頻信號源發(fā)射多載頻信號，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度,可以廣泛用于多輸入多輸出雷達(dá)、隱蔽通信等領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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四維天 線陣的正交多載頻信號發(fā)射方法，可用于雷達(dá)、通信領(lǐng)域要求向特定方向發(fā)射多載頻信號 的場合。

【背景技術(shù)】
[0002] 1959年，美國休斯飛機(jī)公司（Hughes Aircraft Company)的Shanks和Bickmore等 人在空間三維變化的常規(guī)天線陣上引入時間維，初次提出了四維天線陣。1963年，美國空軍 實驗室的Kummer等人首次將時間調(diào)制技術(shù)應(yīng)用一個八元開槽波導(dǎo)陣列中，實現(xiàn)了 -39. 5dB 的超低副瓣電平。四維天線陣對發(fā)射信號進(jìn)行時間調(diào)制，在中心頻率之外產(chǎn)生諧波，稱這 一現(xiàn)象想為邊帶效應(yīng)。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，除了發(fā) 揮出其在低副瓣等性能優(yōu)勢外，還可以利用四維天線陣的不同邊帶信號實現(xiàn)同時多波束掃 描、脈沖多普勒雷達(dá)、單脈沖測向等功能。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，挖掘其邊帶效應(yīng)的應(yīng)用潛力也是四維天線陣研究的重要 發(fā)展方向。
[0003] 2003年，美國林肯實驗室（Lincoln Laboratory)提出了ΜΜ0雷達(dá)的概念，其采用 一系列正交波形進(jìn)行發(fā)射，同時多波束接收，在弱目標(biāo)和低速目標(biāo)探測上具有巨大優(yōu)勢，國 內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)展開了對其各方面性能的研究。其特征是利用在陣列元件的信號之間的 獨立性，使得每個波形觀測目標(biāo)的不同方面特性。目前，我國正在開展ΜΜ0雷達(dá)的理論研 究和實驗平臺研究，為了實現(xiàn)波形正交捷變的ΜΙΜ0雷達(dá)發(fā)射信號，正交波形的設(shè)計和優(yōu)化 成為ΜΙΜ0雷達(dá)的重要研究課題。正交頻分線性調(diào)頻信號作為ΜΙΜ0雷達(dá)應(yīng)用最廣泛的發(fā)射 波形之一，設(shè)計產(chǎn)生它的硬件顯得十分必要。傳統(tǒng)產(chǎn)生多載頻信號的方法是利用直接數(shù)字 合成（DDS)，每一路通道需要一套DDS子系統(tǒng)，由于分離元件過多，存在系統(tǒng)復(fù)雜度高，發(fā)射 信號一致性難以控制的問題。因此，尋求一種新的多載頻信號發(fā)射方法具有重要意義。
[0004] 本專利基于前人在四維天線陣方面和多載頻信號發(fā)射方法方面的研究工作，提出 了一種基于四維天線陣的多載頻信號發(fā)射裝置。本發(fā)明對四維天線陣開關(guān)結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)改 進(jìn)，使用0度/180度相位選擇開關(guān)大大降低了以往采用通斷式開關(guān)造成的功率損失，提高 了邊帶輻射功率。并且在發(fā)射多載頻信號方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，與傳統(tǒng)產(chǎn)生Ν個載頻就需要Ν 條DDS支路的多載頻信號產(chǎn)生方法不同，根據(jù)時間調(diào)制在中心頻帶附近產(chǎn)生的等頻率間隔 諧波的性質(zhì)，通過合理設(shè)計開關(guān)時序，將單一載頻的線性調(diào)頻信號頻譜擴(kuò)展成為正交多載 頻線性調(diào)頻信號。本發(fā)明可以利用單一 DDS支路結(jié)合四維天線陣，產(chǎn)生和發(fā)射頻率等間距 分布在中心頻率附近的多載頻信號。最大的創(chuàng)新在于利用四維天線陣的邊帶效應(yīng)擴(kuò)展原信 號頻譜，在中心頻率附近產(chǎn)生等頻率間隔的諧波，通過合理設(shè)計控制射頻開關(guān)的時間序列 對每一天線單元信號進(jìn)行時間調(diào)制，同時綜合各個邊帶方向圖，朝特定方向發(fā)射多載頻信 號。所提出的方法利用四維天線陣邊帶效應(yīng)和單一 DDS子系統(tǒng)發(fā)射多載頻信號，大大降低 了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了發(fā)射信號一致性，實現(xiàn)了系統(tǒng)的一體化和小型化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 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，提出了一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置及其方法，利用單一載頻信 號源與四維天線陣列信號產(chǎn)生多載頻線性調(diào)頻信號，結(jié)合DDS產(chǎn)生線性調(diào)頻信號和四維天 線陣的優(yōu)勢解決了傳統(tǒng)數(shù)字頻率源在多載頻情況下由于分離元件過多，一致性難以控制， 每一載頻信號需要一塊芯片及其放大電路，造價高等問題。
[0006] 本發(fā)明的基本技術(shù)方案是：
[0007] 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單元和時間同步裝置。其中FPGA單元包括：計算機(jī)接口通信模塊、射頻開關(guān)時序控制 模塊、DDS核心控制模塊。FPGA電路板主要完成兩項功能，一是控制所有的0度/180度相 位選擇開關(guān)；二是控制DDS芯片產(chǎn)生線性調(diào)頻信號時序。每個0度/180度相位選擇開關(guān)控 制一個天線單元通道，在調(diào)制周期內(nèi)，每一時刻選擇導(dǎo)通或者斷開。這種周期性的通斷會對 發(fā)射信號進(jìn)行時間調(diào)制，在中心頻率附近產(chǎn)生等頻率間隔的載頻。通過合理設(shè)計開關(guān)通斷 時間序列可以實現(xiàn)天線單元在各個載波頻率上的幅度和相位加權(quán)，從而向特定方向發(fā)射多 載頻信號。DDS芯片能夠方便地產(chǎn)生穩(wěn)定的線性調(diào)頻信號，通過合理設(shè)計線性調(diào)頻信號的脈 沖寬度滿足四維天線陣的發(fā)射條件就可以利用單信號源發(fā)射多載頻信號。
[0008] 利用上述方法產(chǎn)生正交多載頻線性調(diào)頻信號的過程如下：
[0009] 1)根據(jù)所需發(fā)射信號的要求，設(shè)置線性調(diào)頻信號的波形參數(shù)和四維天線陣的時間 調(diào)制頻率，利用計算機(jī)優(yōu)化并得到四維天線陣工作的最優(yōu)時序；
[0010] 2)將信號波形參數(shù)和四維天線陣時序經(jīng)由計算機(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DDS的線性調(diào)頻信號控制時序，控制DDS輸出線性調(diào)頻信號；
[0011] 3)射頻開關(guān)控制電路按預(yù)設(shè)時序?qū)敵龅木€性調(diào)頻信號在每一天線單元進(jìn)行時 間調(diào)制，每一天線單元的發(fā)射信號在空間中疊加，形成多載頻信號輸出。
[0012] 本發(fā)明的創(chuàng)新在于使用了四維天線陣的邊帶效應(yīng)與直接數(shù)字頻率合成相結(jié)合，采 用單頻信號源發(fā)射多載頻信號。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
[0013] 1)采用單個信號源，易同步，產(chǎn)生的多載頻信號相位噪聲從原理上與源信號具有 相同的穩(wěn)定性，一致性好；
[0014] 2)控制開關(guān)通斷時序進(jìn)行等效幅度相位加權(quán)，在降低系統(tǒng)復(fù)雜度的前提下，天線 性能并不會受到明顯影響；
[0015] 3)本多載頻信號發(fā)射方法基于陣列天線技術(shù)，通過空間功率合成，可以增加陣元 數(shù)量來提高發(fā)射功率。
[0016] 本發(fā)明的特點是采用單個線性調(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。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實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。
[0018] 圖1為一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置的結(jié)構(gòu)圖，其中1是0度 /180度相位選擇開關(guān)，2是天線單元。
[0019] 圖2為本發(fā)明中0度/180度相位選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)圖，其中11是0度相位延遲線，12 是180度相位延遲線，13是開關(guān)控制線，14是單刀雙擲開關(guān)。
[0020] 圖3為一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置流程圖。
[0021] 圖4為一種8單元發(fā)射裝置的四維天線陣列結(jié)構(gòu)圖。
[0022] 圖5為一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置的開關(guān)時序圖，其中陰影 部分表示開關(guān)導(dǎo)通時間，空白部分表示斷開時間。
[0023] 圖6為本發(fā)明在中心頻率和正負(fù)第一到第四邊帶方向圖（正負(fù)邊帶方向圖重合）。 具體實施方案
[0024] 參照圖3,本發(fā)明發(fā)射多載頻信號的過程如下：
[0025] 1)根據(jù)所需發(fā)射信號的要求，設(shè)置線性調(diào)頻信號的波形參數(shù)和四維天線陣的時間 調(diào)制頻率。該波形參數(shù)包括線性調(diào)頻信號的起始頻率、初始相位、調(diào)頻斜率、脈沖重復(fù)周期 等。該時間調(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。其中發(fā)射脈沖寬度為T， 時間調(diào)制周期為Tp，則DDS產(chǎn)生信號可表示為：
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置，其基本結(jié)構(gòu)包括由8個天線單元 組成的天線陣列、8路0度/180度相位選擇開關(guān)、時鐘及驅(qū)動電路、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 單元和直接數(shù)字頻率合成DDS電路；該裝置采用一片F(xiàn)PGA單元控制一個DDS單元和多個射 頻開關(guān)電路；DDS單元用于產(chǎn)生單載頻信號，在經(jīng)過放大和濾波后由功分器分為等幅同相 的多路信號，多路信號的每一路接入射頻移相開關(guān)，之后接入一個天線單元；多個射頻開關(guān) 按照預(yù)設(shè)的時間序列進(jìn)行通斷；其特征在于利用單一 DDS支路結(jié)合四維天線陣在中心頻率 附近等頻率間隔分布諧波的邊帶特性，產(chǎn)生多載頻信號；通過優(yōu)化算法設(shè)計控制射頻開關(guān) 的時間序列，同時綜合多個邊帶方向圖，令這些邊帶指向同一方向，由此朝特定方向發(fā)射多 載頻信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置，其特征在 于采用射頻開關(guān)的周期性通斷，對輸入信號進(jìn)行周期性調(diào)制，該時間調(diào)制周期為多載頻信 號頻率間隔的倒數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置，其特征在 于信號源產(chǎn)生線性調(diào)頻信號，其帶寬與多載頻頻率間隔相同，且時間調(diào)制周期為脈沖信號 脈沖寬度的整數(shù)倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于四維天線陣的正交多載頻信號發(fā)射裝置，其特征在 于中所述的射頻開關(guān)結(jié)構(gòu)為〇度/180度相位選擇開關(guān)。
【文檔編號】H04L27/26GK104144008SQ201410214760
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】楊仕文, 過繼新, 朱全江, 陳宗 申請人:電子科技大學(xué)