X波段宽带相控阵天线的实时延迟系统的研究

宽带相控阵天线实时延迟系统采用压电陶瓷(PZT)调制啁啾光栅的时延量,对发射信号的群速进行时延,以解决天线在发射瞬时宽带微波信号时所产生的波束定位斜视问题.根据有关数据,提出了X波段、8单元相控阵天线实时延迟系统的模型,天线的扫描范围为±60°,搜索数据率可达56.4次/s.讨论了时延量的误差对扫描角的影响、调制电压与扫描形式关系,给出了仿真结果.     

宽带相控阵天线延迟线分析

采用频率无关移相器的相控阵天线的波束指向会随频率发生变化,实时延迟线是提高宽带相控阵天线波束指向精度的重要方法。分析了子阵级采用延迟线,单元级使用移相器的宽带相控阵天线副辫特性,发现当工作频率改变时,由于阵列存在周期相位误差导致天线副瓣电平抬高。针对此问题,提出单元级精细延迟线方案,消除周期相位误差对天线副瓣的影响。仿真结果表明,这种方法在扩展相控阵天线带宽的同时,明显改善了天线的副瓣特性。     

基于硅基光子学的2维相控阵真时延网络

为了实现大规模2维相控阵天线的光学真时延系统, 采用基于硅基光子学的二进制硅基集成二进制光延迟线技术, 提出一种2维相控阵(N×N)真时延网络, 利用2维相控阵结构的对称性以及行延迟和列延迟的独立控制, 真时延网络的复杂度可以降低至(N-1)/2(N为奇数)或N/2(N为偶数)。理论分析了该时延控制方案和集成时延芯片的设计, 以8×8的2维相控阵为例, 设计实现了包含4种硅基二进制时延线的真时延芯片, 测量了该芯片的时延量, 并针对测量的时延量仿真分析了2维相控阵天线的波束扫描特性。结果表明, 该真时延网络能够满足相控阵天线波束指向要求(角度误差小于0.5°); 集成光学技术的采用减小系统的体积和成本。该研究为大规模2维相控阵天线的真时延网络实现提供了一种可行的方法。     

有源相控阵天线瞬时宽带性能改善研究

采用无色散特性的模拟或数字移相器会导致天线波束指向随频率发生变化,即相控阵天线的孔径效应。工程上一般在子阵级别上采用色散特性的实时延迟线拓展相控阵天线瞬时带宽,但是子阵级延时量化误差会产生周期性栅瓣,导致天线副瓣性能恶化。文中提出在通道(或多通道收发组件)上设置小位延迟线、与子阵级大位延时线叠加使用,消除或改善子阵级延时误差造成的性能恶化。结合X波段有源二维阵列天线,对单元级、子阵级、子阵+单元两级三种情况进行了仿真。仿真结果表明,子阵+单元两级延时方法在扩展相控阵天线瞬时带宽的同时,能明显改善相控阵天线的副瓣特性,且具有较强的工程可实现性。     

基于分数时延的宽带数字阵列波束形成

对于宽带数字阵列雷达,传统的波束形成方法会导致天线波束扫描不准和主瓣展宽,为此需要使用时延补偿单元取代传统窄带相控阵中的移相单元。为实现宽带数字阵列各阵元传输时延的精确补偿,引入分数时延滤波器。通过对一种分数时延滤波器设计方法及宽带数字阵波束形成原理的分析,提出针对有载波宽带雷达信号的接收波束形成实现结构。仿真结果表明了该方法的有效性,与传统波束形成方法相比,其性能与理想延时更接近。     

一种宽波束相控阵天线单元

对于宽角扫描相控阵天线,天线单元的宽波束特性是保证相控阵天线宽角扫描的前提条件。该文介绍了一种在E面和H面都具有宽波束特性的U形贴片相控阵天线单元。用腔模理论分析了该天线单元,并用HFSS8.0仿真软件对该天线单元进行了有效的优化。对加工的天线单元作了测试,结果显示测试值与仿真值吻合较好。实测波束宽度在E面和H面都达到110°,验证了该天线单元的宽波束特性,说明其适用于二维宽角扫描相控阵天线。     

一维超宽带阵列天线时域波束扫描分析

宽带雷达作为一种新体制雷达,具有优越的反隐身能力、强的抗干扰能力、极高的距离分辨率等诸多优点.相对于传统相控阵雷达,超宽带雷达采用实时延时技术替代传统的移相器进行波束控制.该文章基于超宽带雷达相关理论进行了时域超宽带阵列天线波束扫描研究.采用对拓维瓦尔迪天线设计了四单元均匀直线超宽带阵列并进行了时域仿真及实验测试.结果表明,该阵列在X-Z平面可以实现±40°的波束扫描.阵列规模由天线单元间距决定,通过精确仿真分析天线单元间距使波束合成效果达到最优化.阵列的峰峰值方向图仿真验证了时域波束扫描理论是可行的,同时论证了实时延时技术可以被集成到时域雷达中以实现实时扫描.     

超宽带雷达自组网的数字波束扫描研究与实现

概要介绍超宽带雷达自组网方式特点及布站方式,重点分析了超宽带信号时延控制形成波束扫描的实现方法,从而解决阵列延时带来的旁瓣以及低增益的问题。与传统相控阵雷达不同的是不再利用移相器,而是估计出各个阵列的时延并通过整数延迟线和FIR分数滤波器进行精确时延补偿,仿真结果表明,该方式波束方向指向性能好,没有旁瓣。     

多子阵平板天线波束指向频率响应分析与固定长度延迟线应用

天线高度是宽带卫星移动通信系统推广应用的一个重要制约因素,采用多子阵技术可以降低平板天线的天线高度。然而多子阵平板天线阵的离散口径会造成天线波束指向频率响应的恶化。为改善天线波束指向频率响应,该文采用固定长度延迟线与移相器相结合的两级馈相方法,提出了一种基于多套延迟线的切换波束技术,将天线波束的扫描范围划分为多个区域,各区域采用不同的延迟线以合成相应的波束。仿真结果表明,该方法可以有效减小天线波束指向漂移,满足卫星移动通信系统对天线波束指向精度的要求。     

光通信技术在相控阵天线中的应用

在简要介绍微波相控阵天线基本特性的基础上,详细介绍了用于微波相控阵天线的光子实时时延（TTD）波束形成网络及其性能特点.     

基于DSP的高速相控阵波束控制器设计

介绍了基于数字信号处理器(DSP)的宽带延迟线相控阵波束控制器设计方案,提出了一种快速计算波控码的新方法。该方法引入了阵内相位差数据表格,规避了移相值计算涉及的三角函数、除法和浮点运算等复杂计算流程,适于在定点DSP运行。通过计算波束控制码和快速布相,改变了宽带延迟线的真延时,实现了宽带相控阵发射系统的大空间角度波束扫描。     

相控阵雷达天线延时技术的发展

介绍了相控阵雷达天线在大扫描角及大瞬时带宽应用场景下延时补偿技术的发展概况。对天线阵列的波束色散现象以及延时补偿技术对天线方向图的影响进行了分析,并介绍了国内外的一些延时方案。依据延时实现架构,将其分为微波延时、表面声波延时、光延时以及数字延时四类。重点对微波延时的几种不同类型的实现形式进行了描述,并根据微波延时线实现载体的不同,分为GaAs 芯片、射频电缆、印制板和微同轴四种。另外,针对延时拓扑电路进行理论推导分析,说明单延时路径在电路设计上的优势,并分析了基态链路对延时路径的幅度、相位补偿和介质材料对延时量的误差引入。对相控阵雷达天线在大扫描角及大瞬时带宽应用场景下的延时补偿技术研究有一定参考价值。     

Continuous True-Time-Delay System Employing a Novel Tunable Chirped Fiber Grating Delay Line and a Sampled Grating Based Multiwavelength Fiber Laser

A photonics true-time-delay system for phased array antenna beam steering employing a novel tunable chirped fiber grating delay line and a multi-wavelength erbium-doped fiber ring laser source based on a sampled grating filter is proposed. The tunable chirped fiber grating, which act as a continuous time-delay element, is achieved by bending a uniform fiber Bragg grating bonded at a slant onto the lateral surface of a simply supported beam. This technique allows the dynamic control of the chirp rate and spectral width of the grating without center wavelength shift. By adjusting the chirp rate of the fiber grating via bend strain, this kind of tunable chirped fiber grating could achieve very low and adjustable delay times, therefore provides higher angle resolution for scanning microwave beam, even the wavelengths of laser source are fixed and un-tunable. The true-time-delay system using proposed tunable chirped fiber grating delay element and sampled grating based laser source is constructed and demonstrated experimentally.     

基于微环延时的宽带相控阵天线系统

微环作为一种典型的平面光波导回路,具有结构紧凑、性能可靠等特点,而用其制成的波导延时芯片集成度高、体积小,与其他光延时器件相比,更适合于贴近阵面安装。因此提出了一种基于阵元级微环延时、子阵级光纤延时的宽带相控阵天线系统,并在均匀线阵的情况下,对所提天线系统进行了数学建模和性能仿真。由仿真结果可知,与一般的阵元级移相、子阵级光纤延时的相控阵系统相比,所提系统能够更有效地满足电子对抗宽带宽角扫描的需求。     

光纤干涉型光学相控阵扫描角度的模拟实验

理论分析了光纤干涉型光学相控阵扫描角度与扫描控制电压的关系,提出了扫描角度与电压关系的实验方法,即按照场点定点的光强间接测定一定扫描控制电压对应的扫描角度;采用M-Z型干涉光路来模拟2光路的光纤干涉型相控阵进行模拟实验,通过改变相位调制器上的控制电压,对场点定点接收到的光强大小进行测试,反演出光纤干涉型相控阵实际的扫描角度。实验结果表明:扫描控制电压在相位调制的半波电压范围内,扫描控制电压要比集成波导阵列的控制电压小得多,扫描角度为0~6.2 mrad,在此范围内,扫描角度的实验值与理论值较好吻合。该模拟实验研究可以为光纤干涉型光学相控阵的远场扫描特性的进一步研究提供参考。     

舰载平面相控阵天线安装倾角的设计方法

利用舰载惯性导航系统提供的姿态信息,对处于静态和动态姿态下的舰载平面相控阵天线的波束指向变换进行了分析,得到了平面相控阵天线的扫描角。在此基础上,以相控阵天线最大扫描角度最小为目标,给出了天线随舰载安装平台处于运动姿态条件时的安装倾角的设计方法。该方法能够在给定的舰船纵摇和横摇范围内,针对相控阵天线需求的空域扫描覆盖范围,实现对任意多面旋转布阵的平面相控阵天线安装倾角的计算。由该方法计算得到的天线安装倾角能够使平面相控阵天线有最小的最大扫描角,从而提高相控阵天线的电气性能。     

宽带端馈式同轴矩形波导天线单元的研究

端馈式同轴矩形波导作为同轴波导变换,前人已经作了很详细的分析计算.由于端馈式同轴矩形波导与自由空间匹配困难,它很少用作辐射天线单元.本文用环耦合法和FDTD法对这种三维非均匀天线单元结构的特性进行了深入的研究,不仅减少了计算时间和空间,而且提高了计算精确性,得到这种相控阵天线单元的辐射方向图和驻波特性曲线,并进行了实验验证,解决了端馈式同轴矩形波导与自由空间的匹配问题.研究表明该种相控阵天线单元具有带宽宽、大扫描角的特点,可以广泛的用于地面、机载和星载相控阵雷达或者通信系统.     

基于OTTD的宽带相控阵空间色散补偿技术研究

从理论上分析了普通相控阵天线空间色散产生的原因,数值模拟了工作频率、波控角对空间色散的影响,对采用子阵光学真延时补偿相控阵天线空间色散的技术进行了理论分析和数值模拟。结果表明对于普通相控阵天线,当工作频率为8GHz、波控角为40°时,对应的波束偏移为13.5°,远远不能满足宽带、宽角度工作的要求,而采用光学真延时(OTTD)技术的相控阵天线,在工作频率为8GHz、波控角为60°时,波束偏移量不到2°,满足了宽带、宽角度工作的要求。     

Tunable Chirped Fiber Grating Based Variable Time-Delay Network for Phased-Array Antenna Beamforming

In this paper, we present a photonics continuous beamforming system for optically controlled phased-array antenna based on a tunable fiber ring laser source and a novel variable true-time delay network consisting of one single-mode fiber delay line and four tunable chirped grating delay lines. The chirp rate of each chirped grating is tuned by bending a uniform fiber Bragg grating (FBG) bonded at a slant onto the lateral surface of a simply supported beam. This kind of variable true-time delay network can provide five-channel time-delayed signals that can be fed to an antenna array to achieve continuously beam scanning. The proposed true-time-delay unit with 5-element phased array steerer is suitable for phased-array antenna beamforming at frequencies up to 12 GHz.