用于时间调制阵列的边带辐射抑制方法及天线系统与流程

1.本发明涉及天线工程技术领域，特别是涉及一种用于时间调制阵列的边带辐射抑制方法，可用于雷达、通信领域要求低副瓣低边带方向图的场合，也可用于射频隐身、物理层保密通信系统中。


背景技术：

2.在现代雷达和通信的实际工程应用场景中，为了减少信号间的干扰或者降低发射信号被窃听者接收的风险，往往需要天线阵列的辐射方向图是低副瓣的。然而传统相控阵想要实现超低副瓣的辐射方向图是极其困难的。时间调制阵列是一种新的通过时间平均的思想来实现超低副瓣辐射方向图的技术。时间调制阵列在1963年提出由w.h.kummer在“ultra-low sidelobes from time-modulated arrays”提出，其将时间作第四维变量引入到传统的天线阵列当中，通过每个天线单元导通的时间长短，来等效控制每个天线单元端口馈入的平均功率，从而在中心频点实现了具有极低副瓣电平的辐射方向图。但是，由于每个天线单元采用周期性的时间调制波形，在辐射的中心频点附近，伴随着一系列的边带辐射。对于接收，边带辐射会对期望接收信号产生干扰，影响接收信号的性能。
3.在实现对副瓣辐射方向图的同时，为了抑制边带辐射，目前已经有大量文献提出了一系列的边带辐射抑制方法。主要从两个角度作为切入点进行研究：一个是研究高效率的优化算法，比如遗传算法、差分进化算法、粒子群算法、模拟退火算法等，对边带辐射电平进行优化；一个是探索更多的时间调制波形设计自由度，除了传统的脉冲宽度外，还有脉冲平移、脉冲整形、脉冲分裂、二进制优化时序、非均匀时间调制等。目前，最简单且有效的方法就是非均匀时间调制，它首先于2015年由c.he等人在“sideband radiation level suppression in time-modulated array by nonuniform period modulation”一文中提出。相对于以往的均匀的时间调制频率而言，该技术对于不同的天线单元采用了不同的时间调制频率，因此不同的天线单元产生的谐波辐射的频率是不相同的，自然在自由空间中就不能够有效的叠加，从而在不需要复杂优化方法的前提下，就能够大大地抑制边带辐射。目前所有关于边带辐射抑制的方法都是基于周期性的时间调制方案的前提下展开的。我们知道，对于周期性的波形，通过傅里叶变换到频域，始终会存在一系列的离散频谱，这是时间调制阵列产生边带辐射的根本。尽管非均匀时间调制技术使得不同天线单元的边带辐射不能够有效的叠加，但是仍然会有明显的谐波辐射的出现。


技术实现要素：

4.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于时间调制阵列的边带辐射抑制方法及天线系统。
5.为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
6.一种用于时间调制阵列的边带辐射抑制方法，其对应的时间调制阵列天线系统包含n个天线单元1、n个射频功率放大器2、n个移相器3、1个基于概率的时间调制器4、1个1分m
功分器5、1个基带信号发生器6、1个混频器7、1个本振源8和一个控制器9，其中n，m均为正整数，m小于等于n；
7.基于概率的时间调制器4具有m个输入端口和n个输出端口，第n路输出端口依次与移相器3、射频功率放大器2、天线单元1相连接；基于概率的时间调制器4的第m个输入端口与1分m功分器5的第m个输出端口相连接；基带信号发生器6产生携带信息的基带信号与本振源8产生的射频信号通过混频器7上变频到射频域，混频器7的输出端口与1分m功分器5的输入端口相连接；基于概率的时间调制器4n个输出端口的状态受到控制器9的控制；
8.第n个天线单元1以pn的概率处于辐射状态，以1-pn的概率处于静默状态，其中0≤pn≤1，n为1到n之间的整数，m为1到m之间的整数。
9.作为优选方式，每个天线单元由一个射频开关来控制其工作状态；通过控制导通概率的大小，即可控制中心频点辐射方向图的形状；每个天线单元的时间调制是非周期性的，使得边带辐射近似为高斯白噪声，具有平坦的辐射功率谱，从而最大程度上抑制边带辐射电平。
10.作为优选方式，方法包括如下步骤：
11.s0、初始化阵列结构，包括天线单元1的设计、阵元数目n的选取、天线阵列的布局、开关的最小导通时间长度tau，设置最大迭代次数k≥1000和当前迭代次数k＝0；
12.s1、根据期望辐射的方向图，利用计算机计算出第n个天线单元的激励wn，n＝1......n，从而得到其导通的概率pn＝|wn|，复激励wn的相位通过移相器3来实现，|
·
|取模算子；
13.s2、在第k次迭代时，利用控制器9随机产生n个分布在区间[0，1]的随机数，其第n个元素记为rn，如果rn≤pn，那么第n个天线单元1处于辐射模式，否则处于静默模式，迭代次数k＝k+1；
[0014]
s3、判断k是否小于等于k，如果k小于等于k，重复步骤s2，即可得到其他任意时刻的天线单元工作状态，否则结束基于概率的时间调制器4的控制。
[0015]
作为优选方式，在不同辐射方向上，辐射信号受到不同的时间调制，其辐射信号具有方向调制特性。
[0016]
作为优选方式，所产生的边带信号与加性高斯白噪声一样具有平坦功率谱。
[0017]
本发明还提供一种时间调制阵列天线系统，包含n个天线单元1、n个射频功率放大器2、n个移相器3、1个基于概率的时间调制器4、1个1分m功分器5、1个基带信号发生器6、1个混频器7、1个本振源8和一个控制器9，其中n，m均为正整数，m小于等于n；
[0018]
基于概率的时间调制器4具有m个输入端口和n个输出端口，第n路输出端口依次与移相器3、射频功率放大器2、天线单元1相连接；基于概率的时间调制器4的m个输入端口与1分m功分器5的m个输出端口相连接；基带信号发生器6产生携带信息的基带信号与本振源8产生的射频信号通过混频器7上变频到射频域，混频器7的输出与1分m功分器5的输入端口相连接；基于概率的时间调制器4n个输出端口的状态受到控制器9的控制；
[0019]
第n个天线单元1以pn的概率处于辐射状态，以1-pn的概率处于静默状态，其中0≤pn≤1,n为1到n之间的整数，m为1到m之间的整数。
[0020]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0021]
1)与传统时间调制阵列相比，本发明所采用的时间调制波形是分周期性的随机时
序，从而最大程度地降低边带辐射电平；2)在确定了每个天线单元处于辐射状态的概率后，其对应的时序可随机产生，不需要复杂的优化算法；3)基于本发明的时间调制阵列，其辐射信号具有方向调制特性，即对于不同角度，其辐射信号是不同的，可以用于物理层保密无线通信系统；4)本发明最大的优势在于边带辐射信号与加性高斯白噪声极其相似，具有极高的随机性。
附图说明
[0022]
图1是本发明流程框图；
[0023]
图2是本发明角度-频率维空间辐射功率谱；
[0024]
图3是本发明平均辐射功率(arp)随角度的变化；
[0025]
图4是本发明-40db副瓣的中心频点辐射方向图和边带辐射峰值方向图；
[0026]
图5是本发明远场辐射一阶统计特性：均值的实部和虚部；
[0027]
图6是本发明远场辐射二阶统计特性：2阶协方差矩阵的四个元素；
[0028]
图7是本发明在8度处辐射场的星座图以及其对应的高斯拟合(右上方为同相分量的高斯拟合，右下方为正交分量的高斯拟合)；
[0029]
图8是本发明在65度处辐射场的星座图以及其对应的高斯拟合(右上方为同相分量的高斯拟合，右下方为正交分量的高斯拟合)；
[0030]
图9是本发明在信噪比为12db，发射qpsk信号时，不同角度接收机接收到信号的误符号率；
[0031]
图10是本发明对应的时间调制阵列天线系统图。
[0032]
1为天线单元，2为射频功率放大器，3为移相器，4为基于概率的时间调制器、5为1分m功分器，6为基带信号发生器，7为混频器，8为本振源，9为控制器。
具体实施方式
[0033]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0034]
实施例1
[0035]
本实施例提供一种用于时间调制阵列的边带辐射抑制方法，如图10所示，其对应的时间调制阵列天线系统包含n个天线单元1、n个射频功率放大器2、n个移相器3、1个基于概率的时间调制器4、1个1分m功分器5、1个基带信号发生器6、1个混频器7、1个本振源8和一个控制器9，其中n，m均为正整数，m小于等于n；
[0036]
基于概率的时间调制器4具有m个输入端口和n个输出端口，第n路输出端口依次与移相器3、射频功率放大器2、天线单元1相连接；基于概率的时间调制器4的第m个输入端口与1分m功分器5的第m个输出端口相连接；基带信号发生器6产生携带信息的基带信号与本振源8产生的射频信号通过混频器7上变频到射频域，混频器7的输出端口与1分m功分器5的输入端口相连接；基于概率的时间调制器4n个输出端口的状态受到控制器9的控制；
[0037]
第n个天线单元1以pn的概率处于辐射状态，以1-pn的概率处于静默状态，其中0≤
pn≤1，n为1到n之间的整数，m为1到m之间的整数。
[0038]
每个天线单元由一个射频开关来控制其工作状态；每个天线单元以一定的概率处于辐射状态，其他时间处于静默状态；通过控制每个天线单元导通概率的大小，即可控制中心频点辐射方向图的形状；每个天线单元的时间调制是非周期性的，使得边带辐射近似为高斯白噪声，具有平坦的辐射功率谱，从而最大程度上抑制边带辐射电平。
[0039]
具体的，本实施例提供一种用于时间调制阵列的边带辐射抑制方法，包括如下步骤：
[0040]
s0、初始化阵列结构，包括天线单元1的设计、阵元数目n的选取、天线阵列的布局、开关的最小导通时间长度tau，设置最大迭代次数k≥1000和当前迭代次数k＝0；
[0041]
s1、根据期望辐射的方向图，利用计算机计算出第n个天线单元的激励wn，n＝1......n，从而得到其导通的概率pn＝|wn|，复激励wn的相位通过移相器3来实现，|
·
|取模算子；
[0042]
s2、在第k次迭代时，利用控制器9随机产生n个分布在区间[0，1]的随机数，其第n个元素记为rn，如果rn≤pn，那么第n个天线单元1处于辐射模式，否则处于静默模式，迭代次数k＝k+1；
[0043]
s3、判断k是否小于等于k，如果k小于等于k，重复步骤s2，即可得到其他任意时刻的天线单元工作状态，否则结束基于概率的时间调制器4的控制。
[0044]
在不同辐射方向上，辐射信号受到不同的时间调制，其辐射信号具有方向调制特性。
[0045]
所产生的边带信号与加性高斯白噪声一样具有平坦功率谱。
[0046]
实施例2
[0047]
如图10所示，本实施例提供一种时间调制阵列天线系统，包含n个天线单元1、n个射频功率放大器2、n个移相器3、1个基于概率的时间调制器4、1个1分m功分器5、1个基带信号发生器6、1个混频器7、1个本振源8和一个控制器9，其中n，m均为正整数，m小于等于n；
[0048]
基于概率的时间调制器4具有m个输入端口和n个输出端口，第n路输出端口依次与移相器3、射频功率放大器2、天线单元1相连接；基于概率的时间调制器4的第m个输入端口与1分m功分器5的第m个输出端口相连接；基带信号发生器6产生携带信息的基带信号与本振源8产生的射频信号通过混频器7上变频到射频域，混频器7的输出与1分m功分器5的输入端口相连接；基于概率的时间调制器4n个输出端口的状态受到控制器9的控制；
[0049]
第n个天线单元1以pn的概率处于辐射状态，以1-pn的概率处于静默状态，其中0≤pn≤1，n为1到n之间的整数，m为1到m之间的整数。
[0050]
每个天线单元由一个射频开关来控制其工作状态；每个天线单元以一定的概率处于辐射状态，其他时间处于静默状态；通过控制导通概率的大小，即可控制中心频点辐射方向图的形状；每个天线单元的时间调制是非周期性的，使得边带辐射近似为高斯白噪声，具有平坦的辐射功率谱，从而最大程度上抑制边带辐射电平。
[0051]
实施例3
[0052]
为了简化说明过程，这里我们考虑一个具有n个天线单元的线阵，单元为点元辐射。第n个天线单元的坐标为xn，其工作在辐射状态的概率为pn，0≤pn≤1，n为1到n之间的整数，则工作在静默状态的概率为1-pn。我们用an来表示其工作状态，那么此时间调制阵列的
远场辐射方向图可以表示成
[0053][0054]
其中β为中心频点对应的波数，φ0为发射符号的参考相位，θ0为波数指向，θ为与阵列轴线的夹角，φn＝βxn(cosθ-cosθ0)+φ0。天线的工作状态an符合伯努利分布，即
[0055][0056]
即，an＝1的概率为pn，an＝0的概率为1-pn。
[0057]
因此，式(1)可以看成一个有n个独立随机分布的求和。根据中心极限定理，当n足够大的时候，远场辐射f(θ)可以近似为一个复高斯分布。它的实部f1(θ)和虚部f2(θ)可以写成一个二维的实高斯向量f(θ)，即
[0058][0059]
通过理论计算，可以得到复均值为
[0060][0061]
将复均值的虚部实部堆叠成列向量为：
[0062][0063]
协方差矩阵的第1行第1列元素为：
[0064][0065]
第2行第2列元素为：
[0066][0067]
对角线元素为：
[0068][0069]
其中μ(θ)为远场辐射f(θ)的均值向量，其物理含义为在载波频率处的辐射方向图，其携带了正确的基带信号；∑(θ)为远场辐射f(θ)的协方差矩阵，其物理含义为人工噪声的分布和能量大小。为x的实部，为x的虚部，var[
·
]为方差计算符号，为均值计算符号。
[0070]
以上，我们分析了本发明远场辐射方向图的统计特性。可以看到，我们可以通过合理调整各天线单元的激活概率h，来控制中心频点的辐射方向图μ(θ)。
[0071]
接下来总结本实施例的主要具体实施步骤(如图1所示)：
[0072]
s0、初始化阵列结构，包括天线单元1的设计、阵元数目n的选取、天线阵列的布局、
开关的最小导通时间长度tau，设置最大迭代次数k≥1000和当前迭代次数k＝0；
[0073]
s1、根据期望辐射的方向图，利用计算机计算出第n个天线单元的激励wn，从而得到其导通的概率为pn＝|wn|，复激励wn的相位通过移相器3来实现，|
·
|取模算子；
[0074]
s2、在第k次迭代时，利用控制器9随机产生n个分布在区间[0，1]的随机数，其第n个元素记为rn，如果rn≤pn，那么第n个天线单元1处于辐射模式，否则处于静默模式，迭代次数k＝k+1；
[0075]
s3、判断k是否小于等于k，如果k小于等于k，重复步骤s2，否则结束基于概率的时间调制器4的控制。
[0076]
实施例4：
[0077]
本实施例提供基于一个n＝30单元半波长布阵的均匀时间调制阵列，即第n个天线单元的位置为关于阵列几何中心对称，天线单元为理想点源。
[0078]
本实施例主要在于说明基于本发明的时间调制阵列边带辐射抑制效果和边带辐射的统计特性。为了简化过程，我们设定所有天线单元的工作状态每tau＝1微秒，根据图1中的步骤s3循环一次，总共生成1
×
105个脉冲。另外，我们期望的中心频率辐射方向图为-40db的切比雪夫辐射方向图，期望辐射方向为90
°
。图2给出了时间调制阵列频率-角度维的辐射方向图，可以看到，在中心频点处能够明显的看到辐射方向图的形状。对于其频率处的边带辐射而言，其具有比较平坦的辐射功率谱，与传统的加性高斯白噪声类似。图3给出了平均功率辐射强度随角度的变化关系。可以看到，在期望辐射方向，辐射功率处于峰值，而对于其他副瓣区域，其辐射分布比较均匀，接近为常数，副瓣电平为-18.2db。图4给出了中心频点处的辐射方向图和边带辐射峰值方向图。可以看到，在实现期望辐射的同时，边带辐射也被最大程度上抑制了。
[0079]
为了验证远场辐射的统计特性，假设发射符号固定为+1，其他传输符号可以通过旋转得到。图5为远场辐射的一阶统计特性，即远场辐射平均值的虚部和实部。由于本实施例采用了对称阵列布局，所以虚部始终为0。图6为远场辐射的二阶统计特性，即远场辐射协方差矩阵的四个元素值。图7是在8度处辐射场的星座图以及其对应的高斯拟合(右上方为同相分量的高斯拟合，右下方为正交分量的高斯拟合)，图8是在65度处辐射场的星座图以及其对应的高斯拟合(右上方为同相分量的高斯拟合，右下方为正交分量的高斯拟合)；可以清楚地看到，在副瓣区域的辐射场非常接近高斯分布。图9是在信噪比为12db，发射qpsk信号时，不同角度接收机接收到信号的误符号率；可以看到，在期望辐射方向，误符号率可以控制在一定的范围内，然而在副瓣区域，误符号率始终维持在较高的水平。这说明本发明可以用于实现物理层保密通信。
[0080]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。