有源相控阵天线波束赋形与布阵技术研究
发布时间：2020-12-12 14:02
随着需求的不断增长以及相关技术的不断进步,有源相控阵天线（active phased antenna array,APAA）在军事和民用领域的应用范围也在不断扩大,带来了如星载APAA的波束赋形、考虑互耦效应的非规则有源相控线性阵列天线的综合以及双频共口径APAA的稀疏布阵等实际工程应用问题。本文研究这些实际工程应用问题背后的基础理论,包括阵列天线的快速分析、校准和诊断,探索阵列天线的工作机理,在此基础上提出提升APAA性能的特色方案,高效解决典型实际工程应用问题,具有重要的研究意义。本文的主要工作和创新点如下:1.基于chirp-z变换的阵列天线方向图快速计算作为阵列天线性能重要的评估方法及其设计基础,方向图的数值计算非常重要。叠加求和方法速度较慢,尤其是对于大型平面阵列天线而言,这一问题更加突出。另外,在诸如阵列天线综合等应用中,方向图的重复计算将导致耗时过长。由于阵因子和阵元激励电流之间是一傅里叶变换对,因此,快速傅里叶变换（FFT）可以加速计算阵元间距为半波长的阵列天线的方向图。然而,对于一般形式的阵列天线,FFT无法直接使用。本文提出了一种基于chirp-z变换（CZT）的阵...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电场旋转示意图以及校准示意图[
笤?渚辔?氩ǔさ南咝院推矫嬲罅刑煜叻较蛲嫉募扑鉡8]，但无法直接运用于阵元间距非半波长的阵列天线方向图的计算。1.2.2相控阵天线的校准相控阵天线组装好之后，每个通道中的初始电流都不相同。若不对此进行校准，相控阵天线将无法合成主波束，因此无法有效地辐射或接收电磁波信号。针对这一问题，诸多研究人员不断地进行探索，为相控阵的发展作出了重要的贡献。Mano和Katagi为了滤除来自相邻天线单元的干扰信号以及空间中的随机噪声信号以便准确地提出通道中的被测信号，在文献[9]中公布了矢量旋转法，具体的示意图如图1-2所示。当校准相控阵天线某一发射通道中的电流时，将探头放置于待校准天线的正前方用于接收信号；然后改变被测天线单元的相位且其它天线单元的相位保持不变，相位变化范围为0°~360°；根据接收到的信号功率以及相位值，求解被测单元通道内电流的幅度和相位。然而当阵元数较多时单个阵元相位值的变化所引起的合成场的变化较小，加之噪声和测量误差的影响，导致该方法的校准精度不高。(a)(b)图1-2电场旋转示意图以及校准示意图[9]。(a)电场旋转示意图；(b)校准示意图Kuan-MinLee在矢量旋转法的基础上提出phase-toggling方法[10]。该方法首先将一脉冲信号注入到图1-3(a)所示的信号注入器且所有移相器都不加相移。注入器发射出的信号被图1-3(b)所示的有源相控阵接收，在输出端口测得的信号为
电子科技大学博士学位论文6图1-4分组矢量旋转方法的原理示意图[12]RuiLong和JunOuyang等人提出了一种相控阵天线多单元同时校准方法[13]。相比于其它方法所需的信号测量次数，该方法所需的测量次数最少且与天线单元数相当，对相控阵天线的数字移相器也没有位数限制。该方法首先将用于测量的辅助天线置于天线的近场或远场区域，用于接收阵元相位改变时阵列天线辐射的信号；然后根据电磁场的矢量叠加原理并基于实测的阵列信号建立了一组与阵元激励电流相关的线性方程组，如图1-5所示；求解线性方程组，计算阵元通道中的电流幅度与相位值。该方法只对有源相控线性阵列天线的校准进行了研究，且所校准的阵列天线的方向图本身具有较高的SLL，对低副瓣有源相控阵天线的校准效果则未加验证。图1-5根据多单元同时校准方法建立的线性方程组[13]相比于上述校准方法，基于近场测试平台的全息校准方法则有相对较高的精度。1981年，W.T.Patton利用平面近场测试平台对相控阵天线进行校准[14]。该方法首先在近场区扫描相控阵天线，运用FFT将扫描数据进行变换求得平面波的波谱；然后运用FFT变换反推口面电场分布，也即阵面通道电流的幅相分布；最后，根据电流幅相值对阵面通道电流的幅度与相位进行补偿。1988年，A.C.Newell对近场测试探头的方向图加以补偿，并分析了口面截断误差、探头的位置误差、因探头与阵面之间的多径反射所引起的误差以及接收机的非线性误差等各项误差，并给出了相关误差修正的表达式，为获取准确的近场测试数据提供了重要的理论
【参考文献】：
期刊论文
[1]分组旋转矢量法校正大规模相控阵天线[J]. 刘明罡,冯正和. 电波科学学报. 2007(03)
博士论文
[1]阵列天线综合及子阵列划分的研究[D]. 郭华.西北工业大学 2015
[2]基于免疫优化算法的阵列天线综合的研究[D]. 叶剑锋.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：2912691
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电场旋转示意图以及校准示意图[
笤?渚辔?氩ǔさ南咝院推矫嬲罅刑煜叻较蛲嫉募扑鉡8]，但无法直接运用于阵元间距非半波长的阵列天线方向图的计算。1.2.2相控阵天线的校准相控阵天线组装好之后，每个通道中的初始电流都不相同。若不对此进行校准，相控阵天线将无法合成主波束，因此无法有效地辐射或接收电磁波信号。针对这一问题，诸多研究人员不断地进行探索，为相控阵的发展作出了重要的贡献。Mano和Katagi为了滤除来自相邻天线单元的干扰信号以及空间中的随机噪声信号以便准确地提出通道中的被测信号，在文献[9]中公布了矢量旋转法，具体的示意图如图1-2所示。当校准相控阵天线某一发射通道中的电流时，将探头放置于待校准天线的正前方用于接收信号；然后改变被测天线单元的相位且其它天线单元的相位保持不变，相位变化范围为0°~360°；根据接收到的信号功率以及相位值，求解被测单元通道内电流的幅度和相位。然而当阵元数较多时单个阵元相位值的变化所引起的合成场的变化较小，加之噪声和测量误差的影响，导致该方法的校准精度不高。(a)(b)图1-2电场旋转示意图以及校准示意图[9]。(a)电场旋转示意图；(b)校准示意图Kuan-MinLee在矢量旋转法的基础上提出phase-toggling方法[10]。该方法首先将一脉冲信号注入到图1-3(a)所示的信号注入器且所有移相器都不加相移。注入器发射出的信号被图1-3(b)所示的有源相控阵接收，在输出端口测得的信号为
电子科技大学博士学位论文6图1-4分组矢量旋转方法的原理示意图[12]RuiLong和JunOuyang等人提出了一种相控阵天线多单元同时校准方法[13]。相比于其它方法所需的信号测量次数，该方法所需的测量次数最少且与天线单元数相当，对相控阵天线的数字移相器也没有位数限制。该方法首先将用于测量的辅助天线置于天线的近场或远场区域，用于接收阵元相位改变时阵列天线辐射的信号；然后根据电磁场的矢量叠加原理并基于实测的阵列信号建立了一组与阵元激励电流相关的线性方程组，如图1-5所示；求解线性方程组，计算阵元通道中的电流幅度与相位值。该方法只对有源相控线性阵列天线的校准进行了研究，且所校准的阵列天线的方向图本身具有较高的SLL，对低副瓣有源相控阵天线的校准效果则未加验证。图1-5根据多单元同时校准方法建立的线性方程组[13]相比于上述校准方法，基于近场测试平台的全息校准方法则有相对较高的精度。1981年，W.T.Patton利用平面近场测试平台对相控阵天线进行校准[14]。该方法首先在近场区扫描相控阵天线，运用FFT将扫描数据进行变换求得平面波的波谱；然后运用FFT变换反推口面电场分布，也即阵面通道电流的幅相分布；最后，根据电流幅相值对阵面通道电流的幅度与相位进行补偿。1988年，A.C.Newell对近场测试探头的方向图加以补偿，并分析了口面截断误差、探头的位置误差、因探头与阵面之间的多径反射所引起的误差以及接收机的非线性误差等各项误差，并给出了相关误差修正的表达式，为获取准确的近场测试数据提供了重要的理论
【参考文献】：
期刊论文
[1]分组旋转矢量法校正大规模相控阵天线[J]. 刘明罡,冯正和. 电波科学学报. 2007(03)
博士论文
[1]阵列天线综合及子阵列划分的研究[D]. 郭华.西北工业大学 2015
[2]基于免疫优化算法的阵列天线综合的研究[D]. 叶剑锋.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：2912691
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/2912691.html
