[发明专利]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

说明书

本发明提出一种基于时间调制阵列的谐波波束形成系统及其实现方法。其基本结构包括一个射频信号生成模块、一个1分N功分器、N个时间调制器、N个功率放大器、N个天线辐射单元、一个时间调制器控制模块。其中时间调制器由八段固定长度延时线和两个单刀8掷开关构成。本发明利用时间调制器控制模块控制不同时间调制器相位线性变化斜率和相对时延，来达到相应天线单元激励幅度与相位的控制。本发明系统能够实现任意谐波边带的波束形成功能，并且能够保持100％的馈电效率。本发明涉及天线工程技术领域，特别是涉及一种基于时间调制阵列的谐波波束形成系统。

技术领域

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-Low Sidelobes from Time-Modulated Arrays”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.Min Yao在“Single-SidebandTime-Modulated Phased Array”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CN 110336627 B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CN 111370873 A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。

发明内容

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：