一种相控信号发生器及相控方法

摘要

本发明提供的是一种相控信号发生器及相控方法。由多个基本信号产生单元构成，每个基本信号产生单元又包含可控相移信号产生电路、幅度控制及驱动电路和单路-多路信号转接头；可控相移信号产生电路、幅度控制及驱动电路、单路-多路信号转接头依次电信号连接；可控相移信号产生电路产生具有一定相移的信号；幅度控制及驱动电路用来控制输出信号的幅度，并提供驱动能力；单路-多路信号转接头将可控相移信号产生电路产生的并经幅度控制及驱动电路的单路信号分接成相同的多路信号，这些多路信号对应于被测多波束系统不同的输入端。本发明可用于各种多波束系统对波束形成电路或波束形成算法的调试与测量中。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种信号产生装置，本发明也涉及一种相控方法。

背景技术

在船用声纳设备中，波束形成系统占有非常重要的地位。而对设备波束指向性的测量往往需要产生与设备输入基元数(通道数)相同的多路信号，且各信号的相位不同。这就需要一个相位分别可调的多路信号源，这样的设备往往比较庞大，尤其在高分辨声纳设备中。由于高分辨声纳设备的基元个数较多，有时可达数百个，其信号源的路数多达数百个，信号源与设备同样庞大。

目前国内外功率放大器控制方式，可参见龚伟等“D类音频功率放大器控制方式综述”，重庆大学学报，2003.02.P117～122。DC-DC变换器，可参见陈念军等“基于单片机控制的输出连续可调开关电源的设计”，电气应用，2006年第25卷第4期.P116～118。学位论文“相位可控信号源的研制”该设计只能产生4路信号。而采用本发明的相控方法减少信号源路数的方法，尚未见到任何形式文献资料的报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以使信号源的规模大大降低的相控信号发生器。本发明的目的还在于提供一种相控方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的相控信号发生器由多个基本信号产生单元构成，每个基本信号产生单元又包含可控相移信号产生电路、幅度控制及驱动电路和单路-多路信号转接头；可控相移信号产生电路、幅度控制及驱动电路、单路-多路信号转接头依次电信号连接；可控相移信号产生电路产生具有一定相移的信号；幅度控制及驱动电路用来控制输出信号的幅度，并提供驱动能力；单路-多路信号转接头将可控相移信号产生电路产生的并经幅度控制及驱动电路的单路信号分接成相同的多路信号，这些多路信号对应于被测多波束系统不同的输入端。

基本信号产生单元的个数与想要模拟回波信号的方向数目成正比，即基本信号产生单元的个数等于想要模拟回波信号的方向数目减一。例如想要模拟5个方向的多路回波信号，需要4个基本信号产生单元；若要模拟9个方向的回波信号需要8个基本信号产生单元。

可控相移信号产生单元产生一个相移为0或的正弦信号，其中m＝1，2，...，它与信号源要模拟回波信号的方向数目成正比，当要模拟回波信号的方向数目较多时，m相应的增大，需要的基本信号产生单元的路数也会随之增加。

本发明的相控方法是：

根据需要模拟回波信号的方向数目确定基本信号产生单元的路数，构成相控信号发生器，每个基本信号产生单元包含可控相移信号产生电路、幅度控制及驱动电路和单路-多路信号转接头；利用每一路基本信号产生单元中的单路-多路信号转接头将可控相移信号产生电路产生的并经幅度控制及驱动电路的单路信号分接成相同的多路信号，所述相同的多路信号对应着被测多波束系统的输入端；当相邻的两个可控相移信号产生单元的相位差为0时，则模拟正前方向0°的回波信号；当相邻的两个可控相移信号产生单元的相位差为π/2或-π/2时，则模拟或弧度方向上的回波信号；当相邻的两个可控相移信号产生单元的相位差为π或-π时，则模拟或弧度方向上的回波信号；通过改变各路可控相移信号产生单元的初始相移，模拟各个方向的回波信号。

本发明的基本信号产生单元产生的信号是连续信号或CW脉冲信号。

相控信号源还可以利用反向运算放大器，模拟相位差π的回波信号，这样基本信号产生单元(1)的数量可以再减少一半，即用2^m-1个基本信号产生单元(1)，可以产生模拟2^m+1个方向的几十甚至几百路回波信号。

本发明的工作原理是：

本发明利用相控原理，将信号源模拟的回波信号方向固定在一些特定的方向上，使相邻2路回波信号的相位差为(m＝1，2，3，mmm)的关系，这样，可以用少量的信号产生电路实现模拟多路的不同相移的回波信号，使得该相控信号源的规模大大降低，几个基本信号产生单元，可以作为几十甚至几百路的相控信号。

对于有n个基元的多波束系统，要模拟不同方向的回波信号其信号源需要产生n个初始相位不同的信号，但这些初始相位在某些方向上有周期性的重复，利用这一点，可将n路信号减少至4路、8路、16路等等。

当n元直线阵相邻基元回波信号的相位差为时，对应的信号入射波方向为其中c为信号传播速度，d为相邻基元的距离，f为信号频率。即只要两个基本信号产生单元(1)产生信号的相位差为m可以取1或取2，或取3，...，2^m≤n，则每隔2^m个基元(基元序号每增加2^m，对应的回波信号的相位相同)的回波信号的相位相同，因此，可以用一个基本信号产生单元(1)模拟产生相位相同的各路回波信号。

若取m＝2，相邻基元回波信号的相位差为±π/2，记信号路号为1、2、3、...、n，并设1路信号的初相为0，则2、3、4、5、6、...、n路的初相为分别为±π/2、±π、±3π/2、±2π、±(2π+π/2)、...，每隔4(3？)个基元回波相位相同。由此，若将多路信号源的1、5、9、...路合并为一路(记为A路)信号，将2、6、10、...路合并为一路(记为B路)信号，将3、7、11、...路合并为一路(记为C路)信号，将4、8、12、...路合并为一路(记为D路)信号，A、B、C、D四路信号的相位可控。当A、B、C、D四路信号的相位差取0时，则作为n个基元多波束系统的模拟信号输入，其波束形成器可在正前方形成一个波束；取相邻两路信号的相位差为±π/2，则作为n个基元多波束系统的模拟信号输入，其波束形成器可在方向上形成两个波束；取相邻两路信号的相位差为±π，则作为n个基元多波束系统的模拟信号输入，其波束形成器可在方向上形成两个波束；这样当有4路相位可调的基本信号产生单元(1)时，共可以模拟实现n个基元5个方向的回波信号。

本发明的优点是：电路结构简单，体积小成本低，实现方便。几个基本信号产生单元(1)产生的信号，可以模拟几十甚至几百路多个方向的回波信号。可用于各种多波束系统中对波束形成电路或波束形成算法的调试与测量。

综上所述，由于本发明采用了相控阵技术，使得该相控信号源可以用少量的信号产生电路实现模拟多路的不同相移的回波信号，几个基本信号产生单元，可以模拟几十甚至几百路的相控信号，使信号源的规模大大降低。本发明可用于各种多波束系统对波束形成电路或波束形成算法的调试与测量中。

附图说明

图1基本信号产生单元组成框图；

图2产生5个方向的模拟信号的电路组成框图；

图3产生5个方向的模拟信号的具体实施方式图；

图4产生5个方向的模拟信号的另一种实施方式图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

结合图1和图2。本发明的相控信号发生器由多个基本信号产生单元1构成，每个基本信号产生单元又包含可控相移信号产生电路2、幅度控制及驱动电路3和单路-多路信号转接头4。其中，可控相移信号产生电路、幅度控制及驱动电路、单路-多路信号转接头依次电信号连接。可控相移信号产生电路产生具有一定相移的信号；幅度控制及驱动电路用来控制输出信号的幅度，并提供一定的驱动能力；单路-多路信号转接头将可控相移信号产生电路产生的并经幅度控制及驱动电路的单路信号分接成相同的多路信号，这些多路信号对应于被测多波束系统不同的输入端。基本信号产生单元的个数与想要模拟回波信号的方向数目成正比。例如想要模拟5个方向的多路回波信号，需要4个基本信号产生单元；若要模拟9个方向的回波信号需要8个基本信号产生单元。

可控相移信号产生单元2用于产生一个相移为0或的正弦信号，其中m＝1，2，...，它与信号源要模拟回波信号的方向数目成正比，当要模拟回波信号的方向数目较多时，m相应的增大，需要的基本信号产生单元1的路数也会随之增加。

本发明的相控方法是：

若需要产生5个方向的模拟信号时，只需按附图2做4个基本信号产生单元1，并利用单路-多路信号转接头4将可控相移信号产生电路2产生的并经幅度控制及驱动电路3的单路信号分接成相同的多路信号，该相同的多路信号对应着被测多波束系统的1、5、9、...号输入端，同样，另外3路基本信号产生单元1产生的信号，经各自的幅度控制及驱动电路3连接到对应的单路-多路信号转接头4上，单路-多路信号转接头4的输出分别对应着被测多波束系统的2、6、10、...号输入端，3、7、11、...号输入端和4、8、12、...号输入端。令相邻的两个可控相移信号产生单元2的相位差为0，则可模拟正前方向(0°)的回波信号；令相邻的两个可控相移信号产生单元2的相位差为π/2或-π/2，即4个可控相移信号产生单元2产生的信号初始相位分别为0、π/2、2π/2和3π/2，或0、-π/2、-2π/2和-3π/2，则可模拟或(弧度)方向上的回波信号，令相邻的两个可控相移信号产生单元(2)的相位差为π或-π，则可模拟或(弧度)方向上的回波信号，这样当有4路基本信号产生单元1时，通过改变4路可控相移信号产生单元2的初始相移，就可以模拟5个方向的回波信号。

若要产生模拟9个方向的信号时，只需做8个基本信号产生单元1，并利用单路-多路信号转接头4将可控相移信号产生电路2产生的并经幅度控制及驱动电路3的单路信号分接成相同的多路信号，8组多路信号分别对应着被测多波束系统的1、9、17...号输入端，2、10、18、...输入端，3、11、19、...号输入端，4、12、20、...号输入端。若令8路可控相移信号产生单元2的相位差为0，则可模拟正前方向(0°)的回波信号；令两个相邻的可控相移信号产生单元2的相位差为π/4或-π/4，即8个可控相移信号产生单元2产生的信号初始相位分别为0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2和7π/4，或0、-π/4、-π/2、-3π/4、-π、-5π/4、-3π/2和-7π/4，则可模拟或(弧度)方向上的回波信号，令两个相邻的可控相移信号产生单元2的相位差为π/2(或-π/2)，则可模拟或(弧度)方向上的回波信号，令两个相邻的可控相移信号产生单元(2)的相位差为3π/4或-3π/4，则可模拟或(弧度)方向上的回波信号，令两个相邻的可控相移信号产生单元2的相位差为π或-π，则可模拟或(弧度)方向上的回波信号，这样当有8路基本信号产生单元1时，通过改变8路可控相移信号产生单元2的初始相移，就可以模拟9个方向的回波信号。

同样，若要产生模拟2^m+1个方向的信号时(m＝1，2，3，4，·)，则需要2^m个基本信号产生单元1，每个基本信号产生单元1的输出信号由单路-多路信号转接头4将信号分接成相同的多路信号，第i个基本信号产生单元的输出对应的信号序号为i+2^m，i＝1，2，3，·，2^m，m＝1，2，3，·，2^m≤n。当取相邻基元间的相位差为时，p＝0，1，2，·，2^m-1-1，2^m个基本信号产生单元1作为n个基元多波束系统的模拟信号输入，其波束形成器可在0、等方向上形成2^m+1个波束。

依此类推，若有2^m个基本信号产生单元1时，可以产生模拟2^m+1个方向的回波信号，模拟的回波方向可按公式计算，其中，φ为相邻路信号的相位差，c为信号传播速度，d为相邻基元的距离，f为信号频率。本发明的基本信号产生单元1产生的信号可以是连续信号，也可以是CW脉冲信号。

所述的相控信号源还可以利用反向运算放大器，模拟相位差π的回波信号，这样基本信号产生单元1的数量可以再减少一半，即用2^m-1个基本信号产生单元1，可以产生模拟2^m+1个方向的几十甚至几百路回波信号。

可控相移信号产生电路2可采用直接数字频率合成(DDS)器件，也可采用单片机或数字信号处理芯片(DSP)；幅度控制及驱动电路3可采用数控衰减器件加上运算放大器或射级跟随器，也可采用可变控益放大器件加上运算放大器或射级跟随器，在对幅度要求不高时，可以直接利用直接数字频率合成(DDS)器件的幅度控制功能，只需采用运算放大器或射级跟随器进行驱动即可；单路-多路信号转接头4可以根据需要将运算放大器或射级跟随器的输出端分接成需要数量的连接头即可。若要为80路的多波束声纳系统提供9个方向的回波信号，对应换能器的阵元间距为5mm，工作频率为200kHz，取声速c＝1500m/s，当相邻阵元间补偿的相位差为0、±π/4、±π/2、±3π/4、±π时便可模拟0°、±10.81°、±22.02°、±34.23°、±48.59°等9个方向上的80路回波信号，电路的连接形式见附图4。

本发明利用相控原理，将信号源的模拟方向固定在回波信号具有相同相移的方向上，这样，可以用少量的信号产生电路实现模拟多路的不同相移的回波信号，使得该相控信号源的规模大大降低，几个基本信号产生单元，可以作为几十甚至几百路的相控信号。本发明可用于各种多波束系统对波束形成电路或波束形成算法的调试与测量中。