一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统及方法与流程

1.本发明涉及天线波束控制技术领域，具体是一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统及方法。


背景技术：

2.相控阵天线主要应用于雷达、通信、电子对抗等系统中。随着需求的提高，如需具有更强的抗干扰能力和更高的距离分辨率等，这些应用系统已逐步转变为宽带系统，因此也要求相控阵天线具备大瞬时带宽的工作能力。目前，组合使用数控移相器和数控延时器是大瞬时带宽相控阵天线工程实现所普遍采用的方案。数控移相器和数控延时器的实测值与理论值均存在误差，如文献(陈月盈，方圆，李富强.gaas phemt超宽带六位数控延时器芯片[j].太赫兹科学与电子信息学报，2018，16(5)：926-929.)报道了6位延时器的64态延时均方根(rms)误差小于8ps。对于具备大瞬时带宽特性的相控阵天线，数控延时器的延时误差影响更为明显。ebrahimir等人在2013年发表的文献“elimination of presteering delays inspace-time broadband beamforming using frequency domain costraints”(ieee communications letters,2013,17(4):769-772)介绍了由于延时误差的存在，造成相控阵天线宽带波束形成性能的严重下降，如导致相控阵天线在工作带宽内的波束指向偏差增大，同时抬升副瓣电平等。现有文献和资料均没有对数控延时器的延时误差存在的情况下的大瞬时带宽相控阵天线波束控制方法进行分析和说明。
[0003]
现有技术存在由于相控阵天线瞬时带宽内的波束指向精度低、副瓣电平较高、孔径渡越时间较大等导致的相控阵天线的波束性能较差等问题。


技术实现要素：

[0004]
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统及方法，解决现有技术存在的由于相控阵天线瞬时带宽内的波束指向精度低、副瓣电平较高、孔径渡越时间较大等导致的相控阵天线的波束性能较差等问题。
[0005]
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
[0006]
一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统，包括具备大瞬时带宽的相控阵天线、波控器，所述大瞬时带宽相控阵天线的通道数为n0，每个通道内均设有顺次电相连连接的一个天线单元、一个数控延时器、一个数控移相器，所述波控器用以对各通道的数控延时器和数控移相器进行控制；其中，具备大瞬时带宽的相控阵天线指瞬时相对带宽超过10％的相控阵天线，n0≥2且n0为整数。
[0007]
一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统，包括具备大瞬时带宽的相控阵天线、波控器，所述大瞬时带宽相控阵天线的通道数为n0，每个通道内均设有顺次电相连连接的一个天线单元、一个数控移相器、一个数控延时器，所述波控器用以对各通道的数控延时器和数控移相器进行控制；其中，具备大瞬时带宽的相控阵天线指瞬时相对带宽超过10％的相控阵天线，n0≥2且n0为整数。
[0008]
作为一种优选的技术方案，多个天线单元组成二维阵列，将天线单元沿x轴方向的排布定义为行，将天线单元沿y轴方向的排布定义为列，天线单元的行间距相同。
[0009]
作为一种优选的技术方案，天线单元的列间距相同。
[0010]
作为一种优选的技术方案，每个通道的数控延时器的最大延时量。
[0011]
作为一种优选的技术方案，每个通道的数控延时器的位数相同，和/或，每个通道的数控移相器的位数相同。
[0012]
一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制方法，采用所述的一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统，包括以下步骤：
[0013]
s1，测试得到各个数控延时器的各态的实际延时值tm(s,n)；其中，s表示数控延时器的延时状态序号，s∈[1，s0]且s为整数，s0表示数控延时器的延时状态总数，数控延时器的各延时状态依次记为延时状态1,延时状态2,
…
,延时状态s0，n表示通道数的序号，n∈[1，n0]且n为整数。
[0014]
s2，根据大瞬时带宽相控阵天线的波束指向，计算得到第n个通道所需的延时量t(n)；
[0015]
s3，计算得到第n个通道所需的延时量t(n)与实际延时值tm(s,n)之差的绝对值δt(s，n)，
[0016]
δt(s,n)＝|t(n)tm(s，n)|；
[0017]
s4，计算得到δt(s，n)取最小值时对应的数控延时器的控制码值m
t
(n)；
[0018]
s5，利用第n个通道所需的延时量t(n)与实际延时值tm(s,n)，计算得到第n个通道的数控移相器的控制码值m
p
(n)；
[0019]
s6，利用波控器将计算得到的m
t
(n)对应发送给各通道的数控延时器，和/或，将计算得到的m
p
(n)对应发送给各通道数控移相器，完成延时和/或移相控制。
[0020]
作为一种优选的技术方案，步骤s2中，根据大瞬时带宽相控阵天线的波束指向计算得到第n个通道所需的延时量t(n)：
[0021][0022]
其中，i表示行标号，i为正整数且i∈[1，i0]，i0表示天线单元阵列的总行数；k表示列标号，k为正整数且k∈[1，k0]，k0表示天线单元阵列的总列数；dx表示天线单元阵列的的行间距，dy表示天线单元阵列的列间距，c表示光速；θ0表示俯仰角，表示方位角。
[0023]
作为一种优选的技术方案，步骤s4中，对于第n个通道，令
[0024]
δtm(n)＝min(δt(s，n))，
[0025]
当s＝j时，
[0026]
有δt(j,n)＝δtm(n)，
[0027]
计算得到第n个通道的数控延时器的控制码值m
t
(n)，
[0028][0029]
其中，j表示δt(s，n)取最小值时对应的数控延时器的延时状态序号，j为正整数且j∈[1，s0]。
[0030]
作为一种优选的技术方案，步骤s5中，
[0031][0032]
其中，round()表示取四舍五入取整的函数，mod()表示求余函数,f0表示大瞬时带宽相控阵天线的瞬时带宽的中心频率，dp表示数控移相器的最小步进值。
[0033]
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
[0034]
本发明根据各个通道的数控延时器各态的实测值和相控阵天线的波束指向，可以得到各个通道的数控延时器和数控移相器的控制码；当满足f
l
≥b0/2时，得到的控制码能够提高相控阵天线瞬时带宽内的波束指向精度，同时降低副瓣电平，减少孔径渡越时间，从而提高宽带相控阵天线的波束性能。
附图说明
[0035]
图1为本发明所述的一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统的结构示意图；
[0036]
图2为大瞬时带宽相控阵天线波束指向示意图；
[0037]
图3为大瞬时带宽相控阵天线各通道补偿码值示意图；
[0038]
图4为本发明所述的一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制方法的步骤示意图。
具体实施方式
[0039]
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0040]
实施例1
[0041]
如图1至图4所示，一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统，包括具备大瞬时带宽的相控阵天线、波控器，所述大瞬时带宽相控阵天线的通道数为n0，每个通道内均设有顺次电相连连接的一个天线单元、一个数控延时器、一个数控移相器，所述波控器用以对各通道的数控延时器和数控移相器进行控制；其中，具备大瞬时带宽的相控阵天线指瞬时相对带宽超过10％的相控阵天线，n0≥2且n0为整数。
[0042]
一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统，包括具备大瞬时带宽的相控阵天线、波控器，所述大瞬时带宽相控阵天线的通道数为n0，每个通道内均设有顺次电相连连接的一个天线单元、一个数控移相器、一个数控延时器，所述波控器用以对各通道的数控延时器和数控移相器进行控制；其中，具备大瞬时带宽的相控阵天线指瞬时相对带宽超过10％的相控阵天线，n0≥2且n0为整数。
[0043]
作为一种优选的技术方案，多个天线单元组成二维阵列，将天线单元沿x轴方向的排布定义为行，将天线单元沿y轴方向的排布定义为列，天线单元的行间距相同。
[0044]
作为一种优选的技术方案，天线单元的列间距相同。
[0045]
作为一种优选的技术方案，每个通道的数控延时器的最大延时量。
[0046]
作为一种优选的技术方案，每个通道的数控延时器的位数相同，和/或，每个通道的数控移相器的位数相同。
[0047]
实施例2
[0048]
如图1至图4所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技
术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
[0049]
一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制方法，采用所述的一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统，包括以下步骤：
[0050]
s1，测试得到各个数控延时器的各态的实际延时值tm(s,n)；其中，s表示数控延时器的延时状态序号，s∈[1，s0]且s为整数，s0表示数控延时器的延时状态总数，数控延时器的各延时状态依次记为延时状态1,延时状态2,
…
,延时状态s0，n表示通道数的序号，n∈[1，n0]且n为整数。
[0051]
s2，根据大瞬时带宽相控阵天线的波束指向，计算得到第n个通道所需的延时量t(n)；
[0052]
s3，计算得到第n个通道所需的延时量t(n)与实际延时值tm(s,n)之差的绝对值δt(s，n)，
[0053]
δt(s,n)＝|t(n)tm(s，n)|；
[0054]
s4，计算得到δt(s，n)取最小值时对应的数控延时器的控制码值m
t
(n):
[0055]
s5，利用第n个通道所需的延时量t(n)与实际延时值tm(s,n)，计算得到第n个通道的数控移相器的控制码值m
p
(n)；
[0056]
s6，利用波控器将计算得到的m
t
(n)对应发送给各通道的数控延时器，和/或，将计算得到的m
p
(n)对应发送给各通道数控移相器，完成延时和/或移相控制。
[0057]
作为一种优选的技术方案，步骤s2中，根据大瞬时带宽相控阵天线的波束指向计算得到第n个通道所需的延时量t(n)：
[0058][0059]
其中，i表示行标号，i为正整数且i∈[1，i0]，i0表示天线单元阵列的总行数；k表示列标号，k为正整数且k∈[1，k0]，k0表示天线单元阵列的总列数；dx表示天线单元阵列的的行间距，dy表示天线单元阵列的列间距，c表示光速；θ0表示俯仰角，表示方位角。
[0060]
作为一种优选的技术方案，步骤s4中，对于第n个通道，令
[0061]
δtm(n)＝min(δt(s，n))，
[0062]
当s＝j时，
[0063]
有δt(j，n)＝δtm(n)，
[0064]
计算得到第n个通道的数控延时器的控制码值m
t
(n)，
[0065][0066]
其中，j表示δt(s，n)取最小值时对应的数控延时器的延时状态序号，j为正整数且j∈[1，s0]。
[0067]
作为一种优选的技术方案，步骤s5中，
[0068][0069]
其中，round()表示取四舍五入取整的函数，mod()表示求余函数,f0表示大瞬时
带宽相控阵天线的瞬时带宽的中心频率，dp表示数控移相器的最小步进值。
[0070]
实施例3
[0071]
如图1至图4所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
[0072]
本发明针对现有技术存在的不足之处，提供一种大瞬时带宽相控阵天线波束控制系统及方法，依据相控阵天线的波束扫描角以及数控延时器各态的延时误差，推导出数控延时器和数控移相器的控制码。定义b0为相控阵天线的瞬时带宽，f
l
为瞬时带宽的下边频，f0为瞬时带宽的中心频率，fh为瞬时带宽的上边频。当满足f
l
≥b0/2时，由该方法得到的控制码能够提高相控阵天线瞬时带宽内的波束指向精度，同时降低副瓣电平，减少孔径渡越时间，从而提高宽带相控阵天线的波束性能。
[0073]
具体实施时，可采用以下步骤：
[0074]
第一步：已知大瞬时带宽相控阵天线通道总数为n0。相控阵天线每个通道均含有一个数控延时器和一个数控移相器，并由波控器对各通道的数控延时器和数控移相器进行控制；
[0075]
第二步：已知数控延时器的位数设计值为m，延时步进设计值为dt，得到数控延时器的延时状态总数s0；s0＝2m；
[0076]
第三步：已知数控移相器的位数设计值为q，移相步进设计值为dp，得到数控移相器的总态数r0；r0＝2q；
[0077]
第四步：测试得到各个数控延时器的各态的实际延时值tm(s,n)；其中，s＝1,2,...,s0；n＝1,2,...,n0；
[0078]
第五步：根据相控阵天线的波束指向得到第n个通道所需的延时量t(n)：
[0079][0080]
其中，i表示行标号，i为正整数且i∈[1，i0]，i0表示总行数；k表示列标号，k为正整数且k∈[1，k0]，k0表示总列数；i0表示天线单元阵列的行数，k0表示天线单元阵列的列数；dx表示天线单元的行间距，dy表示天线单元的列间距，c表示光速；θ0表示俯仰角，表示方位角。
[0081]
则n＝k (k-1)*i0。
[0082]
第六步：计算得到第n个通道所需延时量与实际延时值之差的绝对值δt(s,n)，
[0083]
δt(s,n)＝|t(n)tm(s，n)|；
[0084]
第七步：对于第n个通道，令
[0085]
δtm(n)＝min(δt(s，n))。
[0086]
当s＝j时，
[0087]
有δt(j，n)＝δtm(n)，
[0088]
计算得到第n个通道的数控延时器的延时状态m
t
(n)，
[0089][0090]
其中，j表示δt(s，n)取最小值时对应的数控延时器的态数序号，j为正整数且j∈
[1，s0]，s0表示数控延时器的延时状态总数。
[0091]
第八步：第n个通道的数控移相器器的控制码值m
p
(n)为：
[0092][0093]
其中，round()表示取四舍五入取整的函数，mod()表示求余函数,f0表示大瞬时带宽相控阵天线的瞬时带宽的中心频率，dp表示数控移相器的步进值。
[0094]
第九步：利用波控器将计算得到的m
t
(n)对应发送给各通道的数控延时器，和/或，将计算得到的m
p
(n)对应发送给各通道数控移相器，完成延时和移相控制。
[0095]
本发明的有益之处在于：根据各个通道的数控延时器各态的实测值和相控阵天线的波束指向，可以得到各个通道的数控延时器和数控移相器的控制码。当满足f
l
≥b0/2时，得到的控制码能够提高相控阵天线瞬时带宽内的波束指向精度，同时降低副瓣电平，减少孔径渡越时间，从而提高宽带相控阵天线的波束性能。
[0096]
如上所述，可较好地实现本发明。
[0097]
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0098]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。