基于DDS发射数字波束形成设计与仿真(2)
2.2 发射DBF天线系统构成
数字波束形成相控阵天线系统主要由波束形成网络、射频部分和天线阵三个部分组成。
图1 DBF发射天线系统结构图
如图1所示，N路信号发生器产生N路基带信号，之后通过A/D转换和正交变换产生两路信号进入数字波束形成器中。信号出来后经过加权计算，通道校正后送至发射射频通道，由发射组件完成信号的上变频、滤波和放大，最后送至阵列天线发射，在空间中形成所要的发射波束。
2.3 基于DDS的发射数字波束形成系统研究
2.3.1 数字波束形成系统分析
发射数字波束形成系统的核心是全数字T/R组件。在DDS中，我们把计算得到的幅度和相位权值，直接形成我们所要求的波形信号，然后经过上变频、滤波、功率放大器等模块馈至到天线，在空间形成扫描波束。原理框图如下所示。
图2 发射DBF原理框图
经过讨论得知控制波束指向的关键在于控制馈入天线阵元信号的阵内相位 。
式中， 是发射数字波束的指向角， 是波长，d是线阵阵元间距。两相邻阵元之间由空间相位差是 ， 表示提供的阵内相位补偿值 。
N个阵元在 方向上辐射区某一点场强的矢量和为
对式（3）进行归一化处理后，就得到线阵的归一化方向函数 为
2.3.2 相控阵天线原理
相控阵天线是通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位来改变方向图形状的天线。控制相位可以改变天线方向图中最大值的指向角度，这样就达到了波束扫描的目的。控阵天线克服了用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢这一缺点，波束的扫描速度快了许多。它的馈电相位一般用电子计算机控制，相位变化速度快（毫秒量级）。
相控阵天线的关键器件是天线辐射单元和移相器。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的方向变化是0到360度，数字式移相器的移相值是离散的，只能是2*pi的(1/2)^n的整数倍，n是数字式移相器的位数。
在雷达中使用相控阵天线，波束控制的灵活性显著提高，所以可制成多功能雷达，使一部雷达起到几部常规雷达的作用，提高的了效率。随着微波集成电路技术的发展和新型移相器的出现，相控阵天线的体积越来越小，成本不断降低，重量也在进一步减轻。
从以上原理看来，方向图的研究尤为重要，下面就讨论一下线阵的方向图问题。
线性相控阵天线分为端射阵和侧射阵。侧射阵的天线波束在线阵的法线方向左右两侧进行扫描。
图3 N单元线阵简图
图中N个阵元在y轴上等距离d排列，天线单元的方向图函数用 表示。第 个单元与远区目标的距离为 。一般我们用方向图函数来表示天线的特性。设第i个天线电流的相位为 。则 。 是幅度加权系数。可以推出阵中第i个阵元的场强
为第 个天线单元辐射场强的比例常数； 为单元天线方向图函数。当方向函数和 一致时，
式中， 是天线单元的方向图，等式右边的为阵列因子。所以方向图 等于天线单元方向图与阵列因子的乘积即为方向图的乘积定理。
从中我们可以得到 的表达式： （8）
中角度是目标的角度， 是 天线所在的最大指向角。
对于均匀分布的天线来说，ai=1，则运用等比数列求和可以得出
去绝对值后可以得到 （11）