[发明专利]基于时间调制数字超表面的DBF相控阵系统

说明书

本发明提供了一种基于时间调制数字超表面的DBF相控阵系统，由数字超表面阵列和功分馈电网络构成的收发天线，由收发开关、接收通道和发射通道组成的单路射频模块，用于调制超表面单元时序及编码的基带信号处理及控制板。其基本原理是：通过对数字超表面阵列实施周期性时间调制，分析接收信号的谐波特征来计算信号的入射方向，并重建信号的自相关矩阵以及波达方向信息用于自适应波束形成以及干扰零陷生成等，实现对干扰信号的屏蔽等功能。与传统DBF天线相比，时间调制DBF超表面只需要单路射频模块，极大地简化了射频系统的复杂度，系统的整体成本及功耗有着显著的下降。

技术领域

本发明涉及一种基于时间调制数字超表面的DBF相控阵系统。

背景技术

近年来，为了抑制阵列天线所接收的干扰信号和噪声，更加有效地提取接收信号中的完整信息，基于数字波束形成(DBF)的相控阵系统应用而生。与传统相控阵不同，DBF相控阵把对移相器和衰减器的控制变为了直接对数字信号进行加权运算，使得系统具有超分辨波达方向(DOA)估计和自适应波束形成能力，在数字基带上运用高效的数字信号处理算法对阵列接收信号进行处理，使波束形成的主瓣对准期望信号的来波方向，零陷对准干扰信号的来波方向，从而使接收系统的分辨力、抗干扰能力及机动性等得到大大提高。

传统的N单元DBF相控阵，需要同时配置有N个射频模块，每个射频模块包括收发开关、接收通道和发射通道等。其中，接收通道上包含有低噪声放大器、下变频器、低噪声放大器与模数转换器(A/D)；发射通道上包含有数模转换器(D/A)、低通滤波器、上混频器、功率放大器等。为了实现自适应波束形成所需的足够自由度，需在每个天线阵元后都匹配一个RF模块，带来了庞大的系统开销，极大地增加了系统设计及加工的复杂度，并带来体积、功耗等的增加，很难满足系统轻量化等的需求，这些都极大地制约了传统DBF相控阵技术的应用范围。

近年来，集成了PIN二极管或变容二极管的数字超表面技术被应用于新型相控阵天线技术的研究中，通过对反射式或透射式数字超表面的实时数字编码相移，实现对入射电磁波的灵活智能调控，同样可以实现动态波束扫描和波束赋形等功能，且整个超表面阵列只需要匹配一个射频模块，从而有效降低了相控阵天线系统的成本、功耗及重量。但是，由于在馈源天线后只有一个接收通道，从而无法形成足够的自由度来实现自适应波束形成以抑制干扰和噪声信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于时间调制数字超表面的DBF相控阵系统。

为解决上述问题，本发明提供一种基于时间调制数字超表面的DBF相控阵系统，包括：

包括依次连接的收发天线、射频模块和基带信号处理及控制板，其中，

所述收发天线包括：数字超表面阵列和功分馈电网络，功分馈电网络与数字超表面阵列连接，数字超表面阵列与基带信号处理及控制板连接；

所述射频模块包括：收发开关、接收通道和发射通道，功分馈电网络与收发开关连接，接收通道和发射通道分别与收发开关连接；

所述基带信号处理及控制板，用于调制数字超表面阵列的每个单元的时序及编码，所述基带信号处理及控制板分别与所述接收通道和发射通道连接。

进一步的，在上述系统中，所述数字超表面阵列共包含M*N个单元，数字超表面阵列上每一个单元都分别对应独立的一路控制信号，总计M*N个控制信号都由所述基带信号处理及控制板上的FPGA来提供。

进一步的，在上述系统中，所述数字超表面阵列的每个单元包括交替排列的4层金属结构层和3层介质层，从上至下依次为：集成了PIN二极管的金属辐射贴片层、上层介质基板、偏置控制网络层、半固化介质粘结片、金属地板层、下层介质基板、功分馈电网络层。

进一步的，在上述系统中，所述金属辐射贴片由同轴的内层和外层的两个椭圆环构成，并在内外交界处集成了两个PIN二极管；外层的椭圆环通过金属化过孔与金属地板层相连接；内层的椭圆环与偏置控制网络层相连接。