本發(fā)明涉及到相控陣天線領(lǐng)域，具體涉及到一種大口徑寬帶接收相控陣天線。

背景技術(shù)：

陣列天線每個陣元接收的信號是遠(yuǎn)場平面波，由于波程差導(dǎo)致陣元接收的信號間延時不同，即相位存在差異。相控陣天線通過對每個陣元接收到的信號進(jìn)行相位加權(quán)，調(diào)整接收信號的相位，從而校正這些相位差，完成波束合成，這就等效于使天線波束主瓣指向信號入射方向。由于“空間色散”和“時間色散”的原因，這種傳統(tǒng)相控陣天線的工作方式，僅僅適合小口徑窄帶系統(tǒng)。具體而言，一方面，權(quán)矢量是根據(jù)信號中心頻率計算得到，對于頻率偏離中心頻率越多的信號，天線波束主瓣指向偏差越大，這稱為“空間色散”。小口徑窄帶系統(tǒng)時，“空間色散”影響并不突出。另一方面，當(dāng)陣列天線孔徑增大時，不同陣元接收信號間的時間差增大，這也稱為陣列的“孔徑渡越時間”增大。此時，僅僅依靠相位加權(quán)，無法彌補不同陣元間大延時造成的信號“時間色散”。同樣，小口徑窄帶系統(tǒng)時，“時間色散”影響并不突出。但是，對于大口徑寬帶系統(tǒng)，“空間色散”和“時間色散”影響都不能忽略，采用傳統(tǒng)窄帶相控陣工作方式，會導(dǎo)致相控陣天線增益大大降低。

為了克服大口徑寬帶相控陣天線的“空間色散”和“時間色散”問題，通過子陣結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對每個子陣輸出信號進(jìn)行時間延時，而不是相位校正，就能夠保證整個工作帶寬內(nèi)陣列的波束指向始終對準(zhǔn)信號來向，即保證天線增益不受帶寬和口徑影響。已有大口徑寬帶相控陣實現(xiàn)延時的方法是采用延時線構(gòu)成的模擬延時器，但由于延時線提供的延時值是有限的幾個固定值，所以無法滿足相控陣任意指向角度要求的延時精度。所以，本發(fā)明提供一種數(shù)字延時濾波器實現(xiàn)的大口徑寬帶相控陣天線。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：在大口徑寬帶相控陣天線中，傳統(tǒng)的窄帶相控陣天線加權(quán)方法無法克服“空間色散”和“時間色散”，同時，采用模擬延時器的大口徑寬帶相控陣天線又存在延時控制精度低問題，這些原因?qū)е麓罂趶綄拵嗫仃囂炀€的波束指向出現(xiàn)偏差，天線增益下降。

解決上述問題的方法是一種大口徑寬帶接收相控陣天線，其特征為：

(1)接收相控陣天線是一個陣元數(shù)為n的均勻線陣，陣元間距d為載波頻率對應(yīng)波長一半，其中n是大于2的自然數(shù)；相控陣天線采用子陣結(jié)構(gòu)，將n個陣元劃分為l個子陣，每個子陣的陣元數(shù)為n/l，l是一個可以被n整除的自然數(shù)；每個子陣構(gòu)成一個獨立的模擬相控陣天線，采用模擬移相器和功分器實現(xiàn)波束合成，其中，第l個子陣輸出信號為xl(t)，l＝1,2,...,l；

(2)第l個子陣輸出信號通過adc，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號yl(k)＝xl(kts)，k為采樣序號，ts為采樣周期；第l個子陣輸出數(shù)字信號yl(k)經(jīng)過一個數(shù)字延時濾波器，濾波器系數(shù)矢量為cl＝[cl1...clj]，j是濾波器階數(shù)；第l個數(shù)字延時濾波器實現(xiàn)的功能是把輸入信號yl(k)進(jìn)行時間長度為τl的延時，延時τl表示入射信號到達(dá)第l個子陣幾何中心位置與到達(dá)陣列坐標(biāo)原點位置的時間差，由入射信號俯仰角θ、陣列幾何結(jié)構(gòu)，以及陣元間距d決定；第l個數(shù)字延時濾波器的輸入信號為yl(k)，控制信號為延時參數(shù)τl，輸出信號則為zl(k)，其中

(3)每個子陣對應(yīng)的數(shù)字延時濾波器采用farrow濾波器結(jié)構(gòu)，第l個數(shù)字延時濾波器的第j個系數(shù)clj，用m維常數(shù)矢量ξlj＝[ξlj,1...ξlj,m]、延時值τl和采樣周期ts的多項式表示，即其中，j＝1,2,...,j；常數(shù)矢量ξlj采用頻域加權(quán)法計算；

(4)相控陣天線最后輸出p(k)為所有數(shù)字延時濾波器輸出之和，即

本發(fā)明的有益效果是：針對大口徑寬帶相控陣天線，本發(fā)明克服了“空間色散”和“時間色散”，保證了天線波束主瓣指向的正確性，保證了天線增益不損失。本發(fā)明可以應(yīng)用到雷達(dá)、通信的大口徑寬帶相控陣天線領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是大口徑寬帶相控陣天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是均勻線陣布局和信號入射關(guān)系示意圖；

圖3是單個子陣模擬波束合成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是單個子陣對應(yīng)的farrow濾波器結(jié)構(gòu)框圖；

具體實施方式

參考圖1。大口徑寬帶相控陣天線包括三個主要部分，無源陣面模塊、模擬子陣波束合成模塊、子陣間數(shù)字波束合成模塊。其中，無源陣面被劃分為多個子陣，每個子陣接收信號都采用窄帶相控陣天線方式，即用模擬移相器和功分器實現(xiàn)波束合成。而子陣輸出結(jié)果，通過數(shù)字延時濾波器進(jìn)行延時校正，并把每個校正后的子陣信號合成輸出，作為相控陣天線最后輸出。

參考圖2。接收相控陣天線無源陣面是一個陣元數(shù)為n的均勻線陣，陣元間距d為載波頻率對應(yīng)波長一半，其中n是大于2的自然數(shù)。相控陣天線采用子陣結(jié)構(gòu)，將n個陣元劃分為l個子陣，每個子陣的陣元數(shù)為i＝n/l，l是一個可以被n整除的自然數(shù)。定義系統(tǒng)坐標(biāo)原點在第1個子陣的幾何中心，陣列分布在x上，則信號入射陣列的俯仰角為θ。

參考圖3。以第l個子陣為例，每個子陣是一個獨立的模擬窄帶相控陣天線，采用模擬移相器和功分器實現(xiàn)波束合成，子陣輸出信號為xl(t)，其中，l＝1,2,...,l。

參考圖1。第l個子陣輸出信號通過adc，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號yl(k)＝xl(kts)，k為采樣序號，ts為采樣周期。第l個子陣輸出數(shù)字信號yl(k)經(jīng)過一個數(shù)字延時濾波器，濾波器系數(shù)矢量為cl＝[cl1...clj]，l＝1,2,...,l，j是濾波器階數(shù)。第l個數(shù)字延時濾波器實現(xiàn)的功能是把輸入信號yl(k)進(jìn)行時間長度為τl的延時，延時τl表示入射信號到達(dá)第l個子陣幾何中心位置與到達(dá)陣列坐標(biāo)原點位置的時間差，由入射信號俯仰角θ、陣列幾何結(jié)構(gòu)，以及陣元間距d決定；第l個數(shù)字延時濾波器的輸入信號為yl(k)，控制信號為延時參數(shù)τl，輸出信號則為zl(k)，其中

參考圖4。每個子陣對應(yīng)的數(shù)字延時濾波器采用farrow濾波器結(jié)構(gòu)，第l個數(shù)字延時濾波器的第j個系數(shù)clj，用m維系數(shù)矢量ξlj＝[ξlj,1...ξlj,m]和延時值τl的多項式函數(shù)表示，即其中，j＝1,2,...,j；常數(shù)矢量ξlj采用頻域加權(quán)法計算，具體如文獻(xiàn)“animprovedweightedleast-squaresdesignforvariablefractionaldelayfirfilters”，ieeetransactionsoncircuitsandsystem—ii，1999,46(8)。

參考圖1。相控陣天線最后輸出p(k)為所有數(shù)字延時濾波器輸出之和，即

本發(fā)明特征在于采用子陣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)大口徑寬帶相控陣天線，子陣采用模擬窄帶相控陣方式，子陣間采用farrow結(jié)構(gòu)的數(shù)字延時濾波器實現(xiàn)波束合成。本發(fā)明解決了相控陣天線面臨的“空間色散”和“時間色散”問題，可以應(yīng)用于雷達(dá)、通信的大口徑寬帶相控陣天線中。