基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵

本发明涉及天线工程的，具体地，涉及基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵。

背景技术：

1、无论是在各类星载、舰载、车载武器装备还是在无线通信等民用技术中，多波束相控阵通过控制各单元的相位加权，可以实现灵活的波束扫描，且其波束具有高精度、高增益等优点。

2、相控阵目前分为模拟相控阵、数字相控阵和模数混合相控阵三种。为实现多波束，模拟相控阵所需要的t/r组件数量与波束数量成正比，占用面积大、复杂度高且成本高昂。数字相控阵虽实现多波束较为容易，但其需要为每个阵元配备混频器和模数转换器等器件，进而显著增加成本和功耗，且在进行数字信号处理时计算开销非常大。而模数混合相控阵则兼具模拟相控阵和数字相控阵的优点，在实现多波束的同时可成倍降低射频链路数和计算开销。

3、传统的相控阵通常使用数字移相器进行各单元的相位调控，如专利文献cn114460544a(申请号：202210087831.1)，公开了一种相控阵射频多波束形成网络及控制方法，其使用数字移相器实现模拟波束形成。目前的相控阵中多应用6位精度的移相器。其存在移相精度不够高，控制较为复杂，成本高昂等问题。

4、时间调制技术为解决上述问题提供了新思路。天线单元接收到的射频信号经过周期性的时间调制后，其谐波分量存在与调制时序相关的相位变化，从而实现灵活的相位调控。专利文献cn116207521a(申请号：202310203205.9)公开了基于时间调制技术的矢量调控方法的相控阵天线阵列，其实现了低成本、高精度的幅相调控，进而实现阵列天线的高精度波束扫描。但其所需的射频链路数、控制信号路数与天线单元数相等，依然存在相控阵系统整体成本高昂的问题。且该全模拟架构仅能实现单波束扫描，无法满足日益增长的多波束需求。

5、因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵。

2、根据本发明提供的一种基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，包括：天线模块、时间调制模块、控制模块、功分/合路器、低噪声放大器或功率放大器、混频器、模/数转换器或数/模转换器、数字域波束形成模块；

3、所述天线模块与所述时间调制模块连接；所述时间调制模块与所述控制模块连接；所述时间调制模块与所述功分/合路器连接；所述功分/合路器与所述低噪声放大器或功率放大器连接；所述低噪声放大器或功率放大器与所述混频器连接；所述混频器与所述模/数转换器或数/模转换器；所述模/数转换器采集得到的数字信号输入所述数字域波束形成模块或数字域波束形成模块输出的数字信号输入所述数/模转换器中。

4、优选地，所述相控阵工作在接收状态时，所述天线模块接收信号，所述时间调制模块对接收信号进行周期性调制，所述时间调制模块受所述控制模块的控制，调制后的信号经过所述合路器、所述低噪声放大器、所述混频器，再经过所述模/数转换器将信号进行采集后，通过所述数字域波束形成模块实现多波束扫描；

5、所述相控阵工作在发射状态时，所述数字域波束形成模块输出的数字信号经过所述数/模转换器转换为模拟信号后，经过所述混频器、所述功率放大器、所述功分器，再经过所述时间调制模块进行周期性调制，最后由所述天线模块将调制后的信号辐射出去。

6、优选地，所述时间调制模块为多种电路形式，包括开关时间调制模块、1bit时间调制模块、2bit时间调制模块、单边带时间调制模块。

7、优选地，所述控制模块控制所述时间调制模块调制时序进行周期性调制，对正一次谐波处进行波束扫描，对其他次谐波进行抑制，控制信号满足不同时间调制模块的时序要求。

8、优选地，所述控制模块仅需输出m路控制信号。

9、优选地，所述1分m合路器将每列的m个所述时间调制模块的输出信号合路，得到n路射频信号。

10、优选地，仅需n个所述模/数转换器对中频信号进行模数转换。

11、优选地，所述模/数转换器采集到的信号输入到所述数字域多波束形成模块进行数字波束形成，进行多波束扫描。

12、优选地，所述时间调制模块的调制频率fp和所述天线模块接收到/辐射出的信号带宽b，根据调制模块的不同，需满足一定的关系：

13、开关调制模块：b≤fp

14、lbit调制模块：b≤2fp

15、2bit/单边带调制模块：b≤4fp。

16、优选地，所述相控阵工作在发射状态时，所述数字域波束形成模块输出的数字信号经过所述数/模转换器转换为模拟信号后，经过所述混频器、所述功率放大器、所述功分器；再经过所述时间调制模块进行周期性调制，时间调制模块的调制频率fp和信号带宽b之间需根据调制模块的不同满足相应的关系；最后由所述天线模块将调制后的信号辐射出去。

17、优选地，所述相控阵工作在接收状态时，将天线模块接收到的信号通过时间调制模块进行周期性调制，时间调制模块的调制频率fp和信号带宽b之间需根据调制模块的不同满足相应的关系；将调制后的信号按列进行合路，再经过低噪声放大器、混频器和模\数转换器转换为数字信号，在数字域进行多波束扫描。

18、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

19、1、本发明通过对调制信号按列合路或功分，将射频链路数由m*n减少为n，实现了系统复杂度和成本的成倍降低；

20、2、本发明通过对调制模块所需控制按行分组，将控制模块所需输出的独立控制信号数由m*n减少为m，减少了对控制资源的需求；

21、3、本发明通过将n个链路的模拟输出信号模数转换后在数字域进行处理，所需处理的数据由数字相控阵的m*n路信号的数据量降低为n路信号的数据量，降低了计算开销；

22、4、本发明提出了一种基于时间调制阵列的模数混合相控阵，该相控阵可以实现多波束扫描。

技术特征：

1.一种基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，包括：天线模块、时间调制模块、控制模块、功分/合路器、低噪声放大器或功率放大器、混频器、模/数转换器或数/模转换器、数字域波束形成模块；

2.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，所述相控阵工作在接收状态时，所述天线模块接收信号，所述时间调制模块对接收信号进行周期性调制，所述时间调制模块受所述控制模块的控制，调制后的信号经过所述合路器、所述低噪声放大器、所述混频器，再经过所述模/数转换器将信号进行采集后，通过所述数字域波束形成模块实现多波束扫描；

3.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，所述时间调制模块为多种电路形式，包括开关时间调制模块、1bit时间调制模块、2bit时间调制模块、单边带时间调制模块。

4.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，所述控制模块控制所述时间调制模块调制时序进行周期性调制，对正一次谐波处进行波束扫描，对其他次谐波进行抑制，控制信号满足不同时间调制模块的时序要求。

5.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，所述控制模块仅需输出m路控制信号。

6.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，所述1分m合路器将每列的m个所述时间调制模块的输出信号合路，得到n路射频信号。

7.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，仅需n个所述模/数转换器对中频信号进行模数转换。

8.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，所述模/数转换器采集到的信号输入到所述数字域多波束形成模块进行数字波束形成，进行多波束扫描。

9.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，所述时间调制模块的调制频率fp和所述天线模块接收到/辐射出的信号带宽b，根据调制模块的不同，需满足一定的关系：

10.根据权利要求1所述的基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，其特征在于，所述相控阵工作在发射状态时，所述数字域波束形成模块输出的数字信号经过所述数/模转换器转换为模拟信号后，经过所述混频器、所述功率放大器、所述功分器；再经过所述时间调制模块进行周期性调制，时间调制模块的调制频率gp和信号带宽b之间需根据调制模块的不同满足相应的关系；最后由所述天线模块将调制后的信号辐射出去；

技术总结本发明提供一种基于时间调制技术的多波束模数混合相控阵，相控阵的连接方式为：M*N个天线与M*N个时间调制模块连接；M*N个时间调制模块与一个控制模块连接；M*N个时间调制模块与N个一分M功分/合路器连接；接收链路的N个合路器与N个低噪声放大器连接，N个低噪声放大器与N个混频器连接，N个混频器与N个模/数转换器连接，最后在数字域进行多波束形成；发射链路的数字信号输入N个数/模转换器中，N个数/模转换器与N个混频器连接，N个混频器与N个功率放大器连接，N个功率放大器与N个一分M功分器连接。本发明使用时间调制模块替代传统的移相器，具有成本低、控制路数少等优势；且仅需N个射频链路，降低了相控阵的成本。技术研发人员：金荣洪,夏雨,陈靖峰,蒋睿涵受保护的技术使用者：上海交通大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1