技术领域
[0001] 本
发明涉及天线领域，尤其是一种非线性有源天线，主要应用于大规模低成本有源相控阵前端的工程实现。
背景技术
[0002] 相控阵雷达的诸多优点满足了军事和国民经济发展中各种任务系统对雷达提出的越来越苛刻的要求。有源相控阵雷达的天线是采用T/R组件实现的相控阵天线，其实现原理与无源相扫相控阵天线一样，采用
移相器控制天线阵面的
相位分布实现天线阵波束扫描和波束形成。
[0003] 现代雷达系统对T/R组件突出了高可靠性、低成本、低损耗、小体积、轻重量的要求，而在将T/R组件集成到阵列平面的过程中，移相器及其控制网络很难缩小体积、降低成本和损耗。人们开始研究不用移相器实现相扫相控阵天线的方法，如采用DDS实现数字式T/R组件，但由于当前DDS工作
频率限制，需要对其产生
信号进行上/下变频实现发射/接收，在需要组件数量较多的情况下，成本很高。另外，相控阵技术已逐渐应用于各种民用及军用战术雷达，如搜索、引导、火控及制导雷达等。同时，星载、机载、车载雷达系统的天线对相控阵提出了更高需求，但若要将相控阵天线广泛应用于这些系统则必须进一步降低成本、减小体积、提高效率，而在这些方面限制无源及有源相控阵天线的主要因素是移相器。
[0004] 传统的无源相控阵天线以移相网络和功率分配网络为核心，并通过控制天线阵列的几何形状及天线口径
激励信号的幅相分布控制波束的形状及波束指向，因此无源相控阵天线有以下缺点：设备庞大，不利于小型化集成化；功率分配网络及移相网络的功率损失十分惊人；由于实时性及波束形成
算法复杂性要求，波束控制计算机必须采用
高性能计算机，设备昂贵；工作频率升高时由于缺乏高效的移相器而限制了相控阵天线的应用。虽然近年来国内外许多学者致
力于研究基于T/R组件的有源相控阵,但控制波束扫描的方法没有改变，而且由于空间的限制，移相器、功率分配网络、移相器控制网络很难集成到小型阵列平面上，因此相控阵天线设备庞大，效率低，价格昂贵，高频段缺乏有效的移相器等
瓶颈问题仍没有得到彻底解决，限制了相控阵天线在星载、机载以及车载等小型设备中的广泛应用。
[0005] 非线性有源天线阵列利用
振荡器类型的有源集成天线阵列将耦合振荡器阵列和有源集成天线结合起来，把振荡器移到了
辐射单元的输入端，同时去掉了移相器，为了保证每个单元
输出信号相位的相关性，振荡器单元之间进行耦合，以实现同步。这种非线性有源天线阵列体积小、成本低、功耗低的特点。
[0006] 1946年，Adler提出了关于
微波振荡器注频
锁相现象的Adler方程，随后Kurokwa发展了Alder的理论。1986年，Stephan及Morgan将注频锁相理论应用于耦合振荡器阵列，将Kurokwa方程组推广到一组耦合振荡器阵列。1993年York及其领导的研究小组又发展了Stephan和Morgan取得的成果，通过调节阵列两端单元自由振荡频率的方法来建立阵面线性相位分布，并搭建了基于耦合振荡器阵列的非线性有源相控阵天线实验系统。
[0007] 现阶段的研究主要集中于理论层面，所研制的原理样机仅成熟度较低，主要用于耦合振荡器阵列的原理验证，而针对非线性有源天线阵列实际工程实现的研究鲜有发现，结合目前数字技术的发展，和实际工程需要，为实现具备发射波束扫描、接收同时多波束能力，且具备高集成度、低成本特征的有源阵面，亟需结合非线性有源相控阵天线和目前成熟的数字阵列技术，开展相关工作研究面向应用于相控阵射频前端的大规模、低成本非线性有源天线阵列。
发明内容
[0008] 为了克服
现有技术的不足，本发明提供一种基于非线性有源天线的相控阵前端。主要应用于大规模、低成本非线性有源天线阵列的工程实现。
[0009] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0010] 一种基于非线性有源天线的相控阵前端，包括收发阵列、注入锁相阵列和接收阵列，采用发射集总馈电、全数字接收的工作方式；
[0011] 发射状态下，频率源产生频率为F0的发射基带信号，由功分网络分配至收发阵列，发射基带信号在收发阵列中由中心频率为F0的带通
滤波器进行滤波后，与注入锁相阵列产生的频率为Ft-F0的
本振信号进行混频，再经中心频率为Ft的
带通滤波器滤波，产生频率为Ft的发射信号，经收发
开关的选择作用后，由功率
放大器放大，再经环形器传输至天线并辐射至空间；
[0012] 接收状态下，回波信号由天线完成空间收集作用，经环形器、放大器和收发开关，由中心频率为Ft的带通滤波器滤波后，与注入锁相阵列产生的频率为Ft-F0的本振信号进行混频后，产生中心频率为F0的中频信号，经中心频率为F0的带通滤波器滤波后，传输至接收阵列，由AD结合FPGA实现
采样、
抽取、滤波，形成回波基带数据，并传输至后端实现接收多波束形成。
[0013] 所述的收发阵列包括环形器、放大器、低噪放、收发开关、滤波器和
混频器，收发阵列仅完成混频、滤波和收发放大，无相控阵的移相器；
[0014] 所述的注入锁相阵列包括振荡器和
倍频器，组成阵列的各振荡器通过耦合线级联，产生与收发阵列相匹配的同步本振信号，各本振信号间有恒定的
相位差，相位差理论值为 注入锁定频率为ωinj，各振荡器的自由震荡频率为ω0，且ω0的变化范围为ω0±Δωlock，Δωlock是注入锁相阵列的震荡锁定频率，则注入锁相阵列各同步本振信号的相位差的计算公式为 其中n为倍频器的倍频数，由于在上式中ω0±Δωlock与n为固定值，通过控制注入锁定频率ωinj即可实现对注入锁相阵列输出同步本振信号的相位差进行实时控制，即可实现非线性有源天线阵列的波束扫描。
[0015] 本发明的有益效果在于一种基于非线性有源天线的相控阵前端
电路主要用于实现具备发射波束扫描、接收同时多波束能力，且具备高集成度、低成本特征的有源阵面，发射采用集总馈电方式，接收采用全数字接收方式。在发射波束指向控制方面，通过由振荡器和倍频器组成的注入锁相阵列实现阵面各通道的本振信号，通过对本振信号相位的控制，实现了波束指向的控制，与传统有源相控阵相比，避免了移相器和功分网络的使用，一方面减少了阵面的传输损耗，提高了阵面的效率，另一方面，采用微波集成芯片(MIC)或微型微波集成芯片(MMIC)实现注入锁相阵列的芯片化设计，提升了阵面的集成度，降低了系统的成本，该非线性有源天线的相控阵前端电路同时具备非线性有源天线阵列和全数字阵列的优点，且具备高集成度、低成本的特征。
[0016] 相较于传统相控阵天线阵面，减少了移相器和移相器控制，通过对注入锁定频率ωinj的控制即可实现阵面的波束扫描，并且减少了本振分配网络，通过由振荡器和倍频器组成的注入锁相阵列实现阵面各通道的本振信号，简化了系统设计，采用微波集成芯片(MIC)或微型微波集成芯片(MMIC)实现注入锁相阵列的芯片化设计，可实现非线性有源天线阵列的高度集成和低成本设计。
附图说明
[0017] 图1是本发明一种基于非线性有源天线的相控阵前端电路原理图。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图和
实施例对本发明进一步说明。
[0019] 参见图1，一种基于非线性有源天线的相控阵前端，包括收发阵列、注入锁相阵列和接收阵列，采用发射集总馈电、全数字接收的工作方式；
[0020] 发射状态下，频率源产生频率为F0的发射基带信号，由功分网络分配至收发阵列，发射基带信号在收发阵列中由中心频率为F0的带通滤波器进行滤波后，与注入锁相阵列产生的频率为Ft-F0的本振信号进行混频，再经中心频率为Ft的带通滤波器滤波，产生频率为Ft的发射信号，经收发开关的选择作用后，由
功率放大器放大，再经环形器传输至天线并辐射至空间；
[0021] 接收状态下，回波信号由天线完成空间收集作用，经环形器、放大器和收发开关，由中心频率为Ft的带通滤波器滤波后，与注入锁相阵列产生的频率为Ft-F0的本振信号进行混频后，产生中心频率为F0的中频信号，经中心频率为F0的带通滤波器滤波后，传输至接收阵列，由AD结合FPGA实现采样、抽取、滤波，形成回波基带数据，并传输至后端实现接收多波束形成；
[0022] 所述的收发阵列包括环形器、放大器、低噪放、收发开关、滤波器和混频器，收发阵列仅完成混频、滤波和收发放大，无传统相控阵的移相器；
[0023] 所述的注入锁相阵列包括振荡器和倍频器，组成阵列的各振荡器通过耦合线级联，产生与收发阵列相匹配的同步本振信号，各本振信号间有恒定的相位差，相位差理论值为 注入锁定频率为ωinj，各振荡器的自由震荡频率为ω0，且ω0的变化范围为ω0±Δωlock，Δωlock是注入锁相阵列的震荡锁定频率，则注入锁相阵列各同步本振信号的相位差的计算公式为 其中n为倍频器的倍频数，由于在上式中ω0±Δωlock与n为固定值，通过控制注入锁定频率ωinj即可实现对注入锁相阵列输出同步本振信号的相位差进行实时控制，即可实现非线性有源天线阵列的波束扫描。
[0024] 本发明的基于非线性有源天线的相控阵前端电路主要用于实现具备发射波束扫描、接收同时多波束能力，且具备高集成度、低成本特征的有源阵面，发射采用集总馈电方式，接收采用全数字接收方式。在发射波束指向控制方面，通过由振荡器和倍频器组成的注入锁相阵列实现阵面各通道的本振信号，通过对本振信号相位的控制，实现了波束指向的控制，与传统有源相控阵相比，避免了移相器和功分网络的使用，一方面减少了阵面的传输损耗，提高了阵面的效率，另一方面，采用微波集成芯片(MIC)或微型微波集成芯片(MMIC)实现注入锁相阵列的芯片化设计，提升了阵面的集成度，降低了系统的成本，该非线性有源天线的相控阵前端电路同时具备非线性有源天线阵列和全数字阵列的优点，且具备高集成度、低成本的特征。
[0025] 相较于传统相控阵天线阵面，减少了移相器和移相器控制，通过对注入锁定频率ωinj的控制即可实现阵面的波束扫描，并且减少了本振分配网络，通过由振荡器和倍频器组成的注入锁相阵列实现阵面各通道的本振信号，简化了系统设计，采用微波集成芯片(MIC)或微型微波集成芯片(MMIC)实现注入锁相阵列的芯片化设计，可实现非线性有源天线阵列的高度集成和低成本设计。
