一种频控阵发射前端的实现方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种频控阵发射前端的实现方法。背景技术：2.频控阵雷达是在常规相控阵的基础上，对各阵元载频依次施加不同的频率偏移而形成的新体制阵列雷达，与常规相控阵雷达的发射波束仅具有方位角依赖性不同，频控阵雷达的频偏使其发射波束具有距离和方位角的联合依赖性，如图1所示。因此，频控阵不但具有相控阵的功能特性，还在距离相关的波束形成、目标探测、干扰抑制、电子对抗和安全通信等领域具有广泛的应用潜力。3.目前模拟相控阵及频控阵雷达需要每个通道数控移相器或者矢量调制器来进行每个天线单元的相位调整；但是数控移相器和矢量调制器的加入极大地增加了系统的复杂性，且价格昂贵，占用空间大，不利用tr(transmitter and receiver，发射器和接收器)组件的低成本化和小型化。其二，数字相控阵主要采用dbf(digital beam forming，数字波束形成)技术实现每个单元的相位控制，但是搞数字处理技术使得该方法的成本高居不下。4.而现有技术中频控阵的实现主要有两种方法，一是基于混频器步进频的频控阵实现方法，通过产生一个预设的频率信号，将频率信号分别与节约频率为δf的步进频信号进行混频，从而实现频控阵的频率配置，如图2所示。这种方法的缺点在于，需要通过复杂的频率发生器产生n个支路的中频信号，且混频器的镜像频率和射频与本振频率的交调影响会导致阵列信号的频谱纯度较差，容易导致后续的信号处理出现目标模糊的问题。二是一种采用独立本振源的实现方法，即对每个阵元设置独立的信号源，可以采用直接数字频率合成器或可编程锁相环来产生所需的各阵元波形，但是需要考虑时钟抖动和相位噪声的影响问题。5.因此，亟需一种能够实现相控阵和频控阵配置，且成本低的雷达发射前端方案。技术实现要素：6.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种频控阵发射前端的实现方法。7.一种频控阵发射前端的实现方法，包括：对初始本振信号和/或初始中频信号进行频率调制，获取本振信号和中频信号；将本振信号通过第一功分器或耦合器从左到右逐级传递至镜像抑制混频器的本振端，所述本振信号每两级之间加入有第一延时线；将中频信号通过第二功分器或耦合器从右到左逐级传递至镜像抑制混频器中频端，所述中频信号每两级之间加入有第二延时线；通过所述镜像抑制混频器对所述本振信号和中频信号进行上变频，获取射频信号，并通过发射天线进行发射。8.进一步地，在对初始本振信号和初始中频信号均进行频率调制时，令相邻两个天线之间相差的固定的频率差值为(m+k)*t，在信号输入处，将本振信号表示为：9.10.中频信号表示为：[0011][0012]其中，ωlo0和ωif0为本振信号和中频信号的初始频率，tlo0和tif0为每个频率调制循环的初始时间，m和k分别为本振信号和中频信号的频率调制系数。[0013]进一步地，在第n个节点处，本振信号表示为：[0014][0015]中频信号表示为：[0016][0017]其中，δtlo和δtif为相邻两个混频器的中频信号传输线和本振信号传输线之间的延迟；在第n个节点处，本振信号和中频信号按照调制系数m和k呈比列变化，则有：[0018][0019][0020]式中，φlo,n和φif,n分别表示本振信号和中频信号在时域中的相位，即公式(3)和(4)中的指数部分。[0021]进一步地，在通过所述镜像抑制混频器对所述本振信号和中频信号进行上变频，获取射频信号时，假设选择采用高本振，即本振信号频率flo高于中频信号频率fif，则射频频率为：[0022]frf＝flo-fif[0023]则在第n个节点处，有输出射频信号的时域相位为：[0024][0025]ωrf＝ωlo0-ωif0-m·tlo0+k·(tif0+nδtif)ꢀꢀꢀꢀꢀ(8)[0026][0027][0028][0029]在本振信号和中频信号的频率调制系数相等，即m＝k时，有：[0030]ωrf＝ωlo0-ωif0-m(tlo0-tif0)-mnδtifꢀꢀꢀꢀ(12)[0031][0032][0033][0034]在将时间延时{tlo0,tif0,δtlo,δtif}忽略时，有：[0035]φ≈-ωlo0tlo0+ωif0tif0-nωif0δtifꢀꢀ(16)[0036][0037]式中，ωrf为射频载波频率。[0038]进一步地，在实际信号传输中，以llo和lif分别表示第一延时线长度和第二延时线长度，在整个工作频段中，将第一延时线长度和第二延时线长度近似等效为理想无色散传输线，引入vp代表中频信号和本振信号在输出线上的相速度，则有：[0039][0040][0041]此时，将公式(13)表示为：[0042][0043]其中，为相位增量步长，公式(20)表示在天线阵上表现为相位偏移量的增加，并能控制波束方向，则频控阵总相可以表示为：[0044][0045][0046]其中，为综合频率调制系数。[0047]进一步地，通过馈电路设计，令tlo0和tif0相等，则公式(12)表示为：[0048]ωrf≈ωlo0-ωif0-mnδtifꢀꢀ(23)[0049]进一步地，在仅对所述初始中频信号进行频率调制时，公式(12)～(15)为：[0050]ωrf＝ωlo0-ωif0-m(-tif0)-mnδtifꢀꢀꢀ(24)[0051][0052][0053][0054]采用公式(24)～(27)替代公式(12)～(15)，获取对应输出射频信号的时域相位。[0055]进一步地，在仅对所述初始本振信号进行频率调制时，公式(8)～(11)简化为：[0056]ωrf＝ωlo0-ωif0-m(tlo0)-mnδtifꢀꢀꢀꢀ(28)[0057][0058][0059][0060]采用公式(28)～(31)替代公式(8)～(11)，获取对应输出射频信号的时域相位。[0061]进一步地，所述第一功分器和第二功分器为等分功分器或不等分功分器。[0062]进一步地，在所述第一功分器和第二功分器为等分功分器时，所述本振信号从左到右依次经过放大器、本振信号滤波器和第一衰减器后，进入所述镜像抑制混频器，所述放大器用于对本振信号功率进行放大，所述本振信号滤波器用于确保混频前本振信号的频谱纯度，所述第一衰减器用于对本振支路进行微调；所述中频信号经过第二衰减器后进入所述镜像抑制混频器，所述第二衰减器用于对中频支路进行微调；所述射频信号经过射频信号放大器后，进入射频信号滤波器进行滤波，获取纯净的射频信号，并通过天线进行发射。[0063]与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：通过对初始本振信号和/或初始中频信号进行频率调制，获取本振信号和中频信号，实现频控阵功能，采用双波混频方式，将本振信号通过第一功分器或耦合器从左到右逐级传递至镜像抑制混频器的本振端，且本振信号每两级之间加入有第一延时线；同时，将中频信号通过第二功分器或耦合器从右到左逐级传递至镜像抑制混频器，且中频信号每两级之间加入有第二延时线；通过镜像抑制混频器对本振信号和中频信号进行上变频后，形成双波混频的相控阵结构，获取射频信号，并通过发射天线进行信号发射，实现了雷达发射前端的相控阵和频控阵配置，且无需使用昂贵的设备和复杂的技术，降低了成本的同时简化了雷达发射前端的结构。附图说明[0064]图1为频控阵结构原理及频率分布；[0065]图2为现有的一种频控阵实现方式；[0066]图3为本发明一种频控阵发射前端的实现方法的流程示意图；[0067]图4为本发明一种频控阵发射前端的实现方法的原理图；[0068]图5为本发明对本振信号和中频信号均进行调制时的频控阵电路图；[0069]图6为本发明仅对中频信号进行调制时的频控阵电路图；[0070]图7为本发明仅对本振信号进行调制时的频控阵电路图；[0071]图8为本发明采用不等分功分器实现频控阵的电路图；[0072]图9为本发明用于频控阵的一种不等分功分器的电路图。具体实施方式[0073]为了使本发明更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0074]如图3和图4所示，提供了一种频控阵发射前端的实现方法，包括以下步骤：[0075]步骤s101，对初始本振信号和/或初始中频信号进行频率调制，获取本振信号和中频信号。[0076]步骤s102，将本振信号通过第一功分器或耦合器从左到右逐级传递至镜像抑制混频器的本振端，本振信号每两级之间加入有第一延时线。[0077]步骤s103，将中频信号通过第二功分器或耦合器从右到左逐级传递至镜像抑制混频器中频端，中频信号每两级之间加入有第二延时线。[0078]步骤s104，通过镜像抑制混频器对本振信号和中频信号进行上变频，获取射频信号，并通过发射天线进行发射。[0079]在本实施例中，采用双波混频的形式，对初始本振信号和/或初始中频信号进行频率调制，获取本振信号和中频信号，实现频控阵功能，本振信号通过第一功分器或耦合器从左到右逐级传递至镜像抑制混频器的本振端，且本振信号每两级之间加入有第一延时线；中频信号通过第二功分器或耦合器从右到左逐级传递至镜像抑制混频器，且中频信号每两级之间加入有第二延时线；通过镜像抑制混频器对本振信号和中频信号进行上变频后，形成双波混频的相控阵结构，获取射频信号，并通过发射天线进行信号发射，实现了雷达发射前端的相控阵和频控阵配置，且无需使用昂贵的设备和复杂的技术，降低了成本的同时简化了雷达发射前端的结构。[0080]如图5所示，在对初始本振信号和初始中频信号均进行频率调制时，令相邻两个天线之间相差的固定频率差值为(m+m)*t，在信号输入处，将本振信号表示为：[0081][0082]中频信号表示为：[0083][0084]其中，ωlo0和ωif0为本振信号和中频信号的初始频率，tlo0和tif0为每个频率调制循环的初始时间，m和k分别为本振信号和中频信号的频率调制系数。[0085]通常地，tlo0和tif0可以不同，但是为了避免每个频率调试循环发生频率跳变，一般会将tlo0和tif0校准到一致。[0086]在第n个节点处，本振信号表示为：[0087][0088]中频信号表示为：[0089][0090]其中，δtlo和δtif为相邻两个混频器的中频信号传输线和本振信号传输线之间的延迟，在第n个节点处，本振信号和中频信号按照调制系数m和k呈比列变化，在时域中的相位即公式(3)和(4)的指数部分，可以表示为：[0091][0092][0093]式中，φlo,n和φif,n分别表示本振信号和中频信号在时域中的相位，即公式(3)和(4)中的指数部分。[0094]本振信号和中频信号通过镜像抑制混频器上变频获取射频信号，假设选择采用高本振，即本振信号频率flo高于中频信号频率fif，则射频频率为：[0095]frf＝flo-fif[0096]则在第n个节点处，射频信号的时域相位为：[0097][0098]ωrf＝ωlo0-ωif0-m·tlo0+k·(tif0+nδtif)ꢀꢀꢀꢀꢀ(8)[0099][0100][0101][0102]在一般情况下，可以使得本振信号和中频信号的频率调制系数相等，即m＝k时，有：[0103]ωrf＝ωlo0-ωif0-m(tlo0-tif0)-mnδtifꢀꢀꢀꢀ(12)[0104][0105][0106][0107]由于时间延时很小，可以将时间延时{tlo0,tif0,δtlo,δtif}进行忽略，则有：[0108]φ≈-ωlo0tlo0+ωif0tif0-nωif0δtifꢀꢀ(16)[0109][0110]其中，ωrf为射频载波频率。[0111]在实际信号传输中，lif和llo分别代表中频信号和本振信号的相邻节点的延时线长度，即第二延时线长度和第一延时线长度，其长度有限，因此可以在整个工作频段中，将所述延时线长度近似等效为理想无色散传输线，引入vp代表中频信号和本振信号在输出线上的相速度，则有：[0112][0113][0114]此时，将公式(13)表示为：[0115][0116]由公式(16)可知，φ可以看作是一个恒定的不影响波束形成的通用相位，其中，为相位增量步长，公式(20)表示在天线阵上表现为相位偏移量的增加，并能控制波束方向，则频控阵总相可以表示为：[0117][0118][0119]其中，为综合频率调制系数，由公式(18)和(19)可知，在lif和llo固定时，δtif和δtlo也固定，则的影响因素为中频信号和本振信号的频率调制系数m。[0120]射频载波频率ωrf主要由中频信号和本振信号决定，tlo0和tof0对其映像不大，因此，可以通过馈电路设计，令tlo0和tif0相等，则公式(12)表示为：[0121]ωrf≈ωlo0-ωif0-mnδtifꢀꢀ(23)[0122]公式(19)表明，混频器输出的频率沿着线阵逐渐增加，而公式(16)表明它们的初始相位也以一个恒定的步长变化，这样就形成了频控阵。而相位增量步长可以由初始频率ωlo0和ωif0控制，与调频指数无关，因此，本频控阵可以独立控制沿阵列的频率增量步长和相位偏移。[0123]此外，本发明也可以通过单边频率调制实现频控阵，此时公式(22)需要进行相应的修改，略去不随时间变化的项。[0124]如图6所示，在仅对初始中频信号进行频率调制时，公式(12)～(15)简化为：[0125]ωrf＝ωlo0-ωif0-m(-tif0)-mnδtifꢀꢀꢀ(24)[0126][0127][0128][0129]采用公式(24)～(27)替代公式(12)～(15)，获取对应输出射频信号的时域相位。[0130]如图7所示，在仅对初始本振信号进行频率调制时，公式(8)～(11)简化为：[0131]ωrf＝ωlo0-ωif0-m(tlo0)-mnδtifꢀꢀꢀꢀ(28)[0132][0133][0134][0135]采用公式(28)～(31)替代公式(8)～(11)，获取对应输出射频信号的时域相位。[0136]如图8和图9所示，第一功分器和第二功分器为等分功分器或不等分功分器。[0137]具体地，本发明中使用的功分器可以采用等分功分，也可以采用不等分功分，目的是使得达到混频器的信号功率相等。[0138]由于不等分功分设计时考虑了不长度延时线的功率差异，使得达到混频器的信号功率一致，因此，在采用不等分功分器时，可省去使用滤波器。图9给出了一个基于gysel不等分功分原理的功分器，同时该功分器已经将端口间的不同延时线补偿设计，该功分器可实现各输出端口的功率一致，且各输出端口的延时保持为一个固定值。[0139]如图5至图7所示，在第一功分器和第二功分器为等分功分器时，本振信号从左到右依次经过放大器、本振信号滤波器和第一衰减器后，进入镜像抑制混频器，放大器用于对本振信号功率进行放大，本振信号滤波器用于确保混频器本振信号的频谱纯度，第一衰减器用于对本振支路进行微调；中频信号经过第二衰减器后进入镜像抑制混频器，第二衰减器用于对中频支路进行微调；射频信号经过射频信号放大器后，进入射频信号滤波器进行滤波，获取纯净的射频信号，并通过天线进行发射。[0140]具体地，采用等分功分器时，需要保证各支路相位一致，且本发明引入衰减器对支路功率进行微调，已抵消不同长度延时线带来的功率差异。[0141]为了保证能使用无源混频器，本发明加入了放大器对本振信号功率进行放大，同时引入了本振信号滤波器，保证混频前本振信号的频谱纯度。此外，同时设置本振信号滤波器和射频信号滤波器，可以解决混频器输出的镜像频率和交调频率带来的杂散对信号处理的影响，射频信号滤波器放在射频信号放大器的后面，可以使放大后的射频信号经过滤波器后得到纯净的射频信号，并将纯净的射频信号传输到天线，从而将微波从天线口辐射到空中，完成频控阵信号的发射。[0142]本发明可以根据需要选择实现频控阵的方式，例如对本振信号和中频信号均进行频率调制，或仅对本振信号进行频率调制，或仅对中频信号进行频率调制。[0143]相对于采用传统相控阵实现频控阵的电路，本发明未采用数控调相器，同时数字部分也不需要dbf技术的辅助，就能够实现频控阵发射电路。因此，本发明具有结构简单，成本低的优点。[0144]其中，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。









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