[發(fā)明專利]一種基于四維天線陣的正交多載頻信號(hào)發(fā)射裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410214760.2
• 申請(qǐng)日: 2014-05-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104144008B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊仕文;過(guò)繼新;朱全江;陳宗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H04B7/06
• 分類號(hào): H04B7/06;H04L27/26
• 代理公司: 四川省成都市天策商標(biāo)專利事務(wù)所51213
• 代理人: 羅韜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及陣列信號(hào)處理，具體來(lái)說(shuō)是一種基于四維天線陣的正交多載頻信號(hào)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(hào)的場(chǎng)合。

背景技術(shù)

1959年，美國(guó)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(shí)間維，初次提出了四維天線陣。1963年，美國(guó)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(kāi)槽波導(dǎo)陣列中，實(shí)現(xiàn)了-39.5dB的超低副瓣電平。四維天線陣對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)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(lái)，歐洲、亞洲等地的學(xué)者展開(kāi)了對(duì)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(shì)外，還可以利用四維天線陣的不同邊帶信號(hào)實(shí)現(xiàn)同時(shí)多波束掃描、脈沖多普勒雷達(dá)、單脈沖測(cè)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。

2003年，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室(Lincoln Laboratory)提出了MIMO雷達(dá)的概念，其采用一系列正交波形進(jìn)行發(fā)射，同時(shí)多波束接收，在弱目標(biāo)和低速目標(biāo)探測(cè)上具有巨大優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)展開(kāi)了對(duì)其各方面性能的研究。其特征是利用在陣列元件的信號(hào)之間的獨(dú)立性，使得每個(gè)波形觀測(cè)目標(biāo)的不同方面特性。目前，我國(guó)正在開(kāi)展MIMO雷達(dá)的理論研究和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究，為了實(shí)現(xiàn)波形正交捷變的MIMO雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，正交波形的設(shè)計(jì)和優(yōu)化成為MIMO雷達(dá)的重要研究課題。正交頻分線性調(diào)頻信號(hào)作為MIMO雷達(dá)應(yīng)用最廣泛的發(fā)射波形之一，設(shè)計(jì)產(chǎn)生它的硬件顯得十分必要。傳統(tǒng)產(chǎn)生多載頻信號(hào)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(guò)多，存在系統(tǒng)復(fù)雜度高，發(fā)射信號(hào)一致性難以控制的問(wèn)題。因此，尋求一種新的多載頻信號(hào)發(fā)射方法具有重要意義。

本專利基于前人在四維天線陣方面和多載頻信號(hào)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(hào)發(fā)射裝置。本發(fā)明對(duì)四維天線陣開(kāi)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(kāi)關(guān)大大降低了以往采用通斷式開(kāi)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(hào)方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，與傳統(tǒng)產(chǎn)生N個(gè)載頻就需要N條DDS支路的多載頻信號(hào)產(chǎn)生方法不同，根據(jù)時(shí)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(guò)合理設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)時(shí)序，將單一載頻的線性調(diào)頻信號(hào)頻譜擴(kuò)展成為正交多載頻線性調(diào)頻信號(hào)。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(hào)。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(hào)頻譜，在中心頻率附近產(chǎn)生等頻率間隔的諧波，通過(guò)合理設(shè)計(jì)控制射頻開(kāi)關(guān)的時(shí)間序列對(duì)每一天線單元信號(hào)進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，同時(shí)綜合各個(gè)邊帶方向圖，朝特定方向發(fā)射多載頻信號(hào)。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(hào)，大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了發(fā)射信號(hào)一致性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的一體化和小型化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景，目的在于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)在應(yīng)用中存在的問(wèn)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(hào)發(fā)射裝置及其方法,利用單一載頻信號(hào)源與四維天線陣列信號(hào)產(chǎn)生多載頻線性調(diào)頻信號(hào)，結(jié)合DDS產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)和四維天線陣的優(yōu)勢(shì)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(guò)多，一致性難以控制，每一載頻信號(hào)需要一塊芯片及其放大電路，造價(jià)高等問(wèn)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(kāi)關(guān)電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)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(kāi)關(guān)時(shí)序控制模塊、DDS核心控制模塊。FPGA電路板主要完成兩項(xiàng)功能，一是控制所有的0度/180度相位選擇開(kāi)關(guān)；二是控制DDS芯片產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)時(shí)序。每個(gè)0度/180度相位選擇開(kāi)關(guān)控制一個(gè)天線單元通道，在調(diào)制周期內(nèi)，每一時(shí)刻選擇導(dǎo)通或者斷開(kāi)。這種周期性的通斷會(huì)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)間調(diào)制，在中心頻率附近產(chǎn)生等頻率間隔的載頻。通過(guò)合理設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)通斷時(shí)間序列可以實(shí)現(xiàn)天線單元在各個(gè)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(hào)。DDS芯片能夠方便地產(chǎn)生穩(wěn)定的線性調(diào)頻信號(hào)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)線性調(diào)頻信號(hào)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(hào)源發(fā)射多載頻信號(hào)。

利用上述方法產(chǎn)生正交多載頻線性調(diào)頻信號(hào)的過(guò)程如下：