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摘要相控阵天线广泛应用于雷达、通信等方面。随着数字信息处理技术的不断发展，数字波束形成（DBF)技术以其灵活性等优点较传统的模拟方式更具优势。然实际情况中，基于成本考虑，对一个大型的相控阵阵列而言，通常将阵列进行子阵划分，实现子阵内采用模拟方式实现相控阵，子阵间进行 DBF。不同的子阵划分方式对形成的和差波束的性能有很大影响。本文首先介绍关于阵列天线的基础理论，阐述了阵列天线的信号接收模型并推导阵因子公式；接着给出了阵列天线和差波束方向图低幅瓣综合方法，包括和波束幅度泰勒分布加权及差波束贝利斯分布加权技术，同时基于理论知识给出仿真图形；最后根据课题对和差波束的幅瓣控制要求，在尽量减少子阵数量的前提下，给出阵列天线子阵优化划分的方法和子阵加权方法并进行MATLAB 仿真，仿真结果验证了子阵划分的正确性。27387
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毕业论文关键词 相控阵天线 数字波束形成 泰勒分布 贝利斯加权 子阵划分
Title Sub-array configurations for phased array with low side-lobesum and difference beam-patternAbstractPhased array antennas are widely used in radar, communications and so on. Withthe continuous development of digital information processing technology, digitalbeam forming (DBF) technology advantages over traditional analog mode for itsflexibility.However, in reality,based on the consideration of the cost,in termsof a large phased array,it is usually pided into sub-arrays,and realize thephased array by means of simulation,besides between the sub-arrays wereDBF.Different sub-array partition mode has a great influence on the propertiesof sum and difference beam .In this paper, we first introduce basic theory on the antenna array, expounds theantenna array signal reception model and derives the array factor formula; thenthe method about how to control the sum and difference beam of array antennas withlow amplitude sidelobe is proposed , including Taylor sum-beam amplitude weighteddistribution and difference beam Bayliss distribution weighted technology，andthe simulation picture were given based on the theory; finally according to thesubject of sum and difference beam amplitude valve control requirements, underthe premise minimize subarray number, the array antenna array optimizationpision method and the sub array weighting method were given. The simulationresults verify the correctness of subarray pision.Keywords Phased Antenna Array DBF Taylor distribution Bayliss weightingSubarray partition
目 次
1 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 研究历史及现状 2
1.3 论文研究内容及章节安排 3
2 阵列天线理论基础 5
2.1 线阵接受信号模型 5
2.2 面阵接收信号模型 7
2.3 本章小结 9
3 DBF 原理及副瓣电平控制理论 10
3.1 DBF 技术原理 10
3.2 副瓣电平控制理论 11
3.3 仿真 17
3.4 本章小结 20
4 子阵划分技术 21
4.1 均匀子阵划分 21
4.2 非均匀子阵划分 22
4.3 本章小结 29
5 总结全文与展望 30
5.1 全文总结 30
5. 2 展望 30
致谢 31
参考文献32
1 绪论1.1 研究背景及意义自从 Maxwell 在 1873 年从理论推导上预言存在电磁波开始，随着科学的不断发展，人类对自然界广泛存在的电磁波这一物质形态的认识在不断深化，同时也创造发明出许多的电磁系统——无线电通信系统。但凡是无线电电子系统，那么与其相关的信息都离不开电波能量的发射和接收[1]，而天线就是这么一种作为接收和发射电磁能量的设备。在早期的许多场合下，单个天线就能比较完美的完成任务，然而，随着时代的发展及人类对获取更多信息的追求，单个天线由于自身局限往往难以达到预定要求，于是人们试图采用多个天线共同工作，阵列天线由此产生。在实际的系统中，人们常希望通过电控方式使天线的波束宽度在空间扫描。通过对阵列天线的研究，我们知道，若是要想改变波束的指向可以通过改变各阵元权重的相位。如果一个天线只改变权重系数的相位，而权重系数的幅度保持不变，称为相控阵。相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元，针对模拟器件的移相器已逐渐无法跟上人们追求数据的步伐以及数字信息处理的快速发展这一现状，DBF（Digital Beam Forming)的产生水到渠成。DBF 技术将经由系统前端天线接收到的模拟信号转化为数字信号，再通过计算机等数字方式对这些数字基带信号进行幅度和相位的处理。人们认为 DBF 相当于“最佳天线”或“极限天线”[2]，因为所有到达天线的信息都能被其被捕获并转换为数字信号。所有这些信息可以被软件处理产生不同类型的波形：扫描和差波束，特定形状波束，零陷指向波束等。DBF的出现使得系统的灵活性大大增强，而信噪比不会下降，同时系统的灵活性使人们可以通过优化权系数再对系统性能进行优化。理想情况下，我们希望在整个相控阵的各个阵元上都进行 DBF，以便将所有的天线信息都收录起来。然而实际生活中，对于大部分的相控阵而言，其阵元数少则几十，多则上万，要想对每个阵元采用DBF 技术，必会使得馈电网络的复杂度增加，从而导致系统实时性下降，同时大量的接收通道也使得成本问题不容忽视。面对这么多的问题，对天线阵进行划分子阵是一个很有效的方法。子阵划分技术即按照一定的规律将整个天线阵面进行分组，每组包含若干个阵元，在每个子阵后接上一个数字接收机来接收信号[3]，从而实现子阵内采用模拟方式实现相控阵技术，子阵间进行DBF 实现波束形成。 子阵数量影响波束的旁瓣， 子阵形状影响波束的栅瓣， 显然，合理的子阵划分对相控阵天线具有重大的意义。1.2 研究历史及现状1.2.1 DBF的研究历史及现状DBF 的概念来自于雷达阵列天线，旨在在考虑信号及环境影响的情况下形成波束跟踪目标，将波束主瓣对准指定的来波方向，同时将零陷处对准干扰方向。Van Atta 在 1959 年首次提及DBF 这一概念，到今天已历时 50 多年的发展：50 年代的时候，美国在研究卫星通信方面因需要增强信号而率先研究自适应天线，数字波束形成技术（DBF）由最初研究如何控制机自适应波束到控制自适应零陷再到空间谱估计，而随着通信技术的发展，人们对 DBF 的研究也逐渐集中在结合移动通信的智能天线的实现以及DBF 在雷达系统中的应用上。目前，我国的部分企业（如：中兴、华为等）也在抓紧研发中[4]。同时，为使波束具有更好的特性，诸如低副瓣，主瓣宽度窄等，相关理论也在不断完善。1946 年 C.L.Dolph 提出道尔夫—切比雪夫综合法[5]，在该综合法里，道尔夫利用了切比雪夫多项式的有用特性，寻找到适当的根位置以产生副瓣电平都等于给定值的等副瓣方向图，其得到的方向图主瓣最窄具有最高的方向性。1953 年，泰勒提出单参数的泰勒分布，此法通过移动副瓣的零点位置控制副瓣；1955 年，泰勒又提出n 分布，此法则是对道尔夫—切比雪夫综合法和单参数泰勒分布两种方法进行折中后的产物，通过n 分布人们可以获得更窄的主瓣以及更高的效率。n 分布是关于连续线源的分布，阵列天线在运用该法时需要对它进行离散化，而离散的结果又会导致副瓣电平稍稍提高。之后，Villeneuve也在泰勒n 的基础上将其进行离散，运用到离散阵元的线阵中，研究结果表明，超过 20 个阵元数目天线阵一般采用离散的泰勒n 分布效果更佳，而小阵列则更适用于Villeneuve 的n 分布。随后，在 1968 年，Bayliss 根据泰勒的n 分布提出用于差波束合成的Bayliss 分布， 其亦是通过根位移的方法来完成近副瓣电平的调整，对圆阵和线阵均适用。对于波束综合，最近 20 多年，逐渐发展出在智能算法的基础上，通过凸优化使加权值向理想值逼近的方法。1.2.2 子阵划分研究历史与现状目前，在大型相控阵上广泛应用DBF 技术还存在一定的困难，究其主要原因是，若所有阵元均采用DBF，那么势必导致接收机通道数增加，这么一来，对于后续的信号处理而言，不仅运算复杂，成本高，还可能使得系统的实时性难以满足，因此现实情况中，我们需要对阵列天线进行子阵划分，对各个子阵级采用DBF 技术。按照划分后所得的子阵形状状我们可以将之概括为不均匀划分与均匀划分，其中，均匀划分是最简单的，即将其划分成若干个规格一致的子阵。均匀划分子阵带来馈电网络设计简易、各子阵输出噪声功率相等等优点，但是，因为子阵的等效相位中心超出半波长，因此均匀划分后得到的子阵会产生栅瓣。而栅瓣上具有较多的电磁能量，使得天线方向性系数下降，同时从栅瓣处得到的信号也容易与主瓣处得到的信号相混，产生模糊。不均匀划分（此处划分不考虑子阵阵元重叠的情况），虽说馈电网络比均匀划分复杂，但是却能打破等效相位中心超出半波长的周期性，从而避开栅瓣的问题。因此，实际情况中，人们通常采用不均匀划分子阵（各子阵阵元不重叠）的方法。目前，划分子阵并没有通用的准则，但是根据人们长期的经验，非均匀划分子阵一般参照以下条件[6]：（1）子阵划分分布对称，并且距对称中心近的子阵比较小；（2）邻接子阵的中心距离不存在公因子；（3）将量化后得到的和差波束加权值的区间交集作为最终的划分结果；（4）每个子阵阵元加权值的平方和应该近似相等。条件（2）使得划分后产生的波束可以有效避开栅瓣、栅零点的影响[4]。子阵划分对后期的信号处理有极大影响，因此，国内外有很多工作者都对此作出了大量的研究。1995 年 Nickel 提出对和差波束的加权函数进行量化[7]，并将量化后的交集作为最终划出的子阵，1999 年，Combaud 提出以信噪比作为优化目标[8]，要求每个子阵阵元数接近，2009 年，Bailey C D 提出以信干燥比和旁瓣性能作为优化的目标来划分子阵[9]。子阵划分属于多目标优化问题，并且这些目标相互牵制，因此，划分子阵的最终方案必然需要折中处理。近年来，许多的国内外研究人员都开始将遗传算法运用于子阵划分这一优化问题上，目前很少有文献提及遗传算法在二文阵上如何在编码上表示子阵相邻。1.3 论文研究内容及章节安排本文针对二文相控阵子阵划分和DBF技术展开工作， 子阵划分主要依据Nickel在文献[7]中提到的通过对和差波束量化得到交集这一方法；DBF 技术主要涉及关于静态波束的副瓣控制技术。本文章节安排如下：第一章 绪论： 讲述 DBF 技术和子阵划分的研究背景及意义， 进而介绍了子阵划分和 DBF技术的发展历史及现状。第二章 阵列天线理论基础：主要介绍阵列结构以及信号接收模型，包括直线阵列和平面阵列。第三章 DBF 原理及副瓣电平控制理论： 介绍了 DBF 技术原理以及详细介绍如何通过对阵列综合以得到低副瓣波束，最后基于理论知识给出仿真结果进行验证。第四章 子阵划分技术：详细介绍子阵划分的方法，其中包括均匀划分、非均匀划分以及 Nickel 所提出通过对和差波束量化得到交集作为子阵这一方法。给出关于二文相控阵子阵划分以及合成波束的 Matlab 仿真结果，并进行结果分析。第五章 总结全文与展望：总结本文主要内容，分析如何完善后续工作。
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