iData_基于比相法的天线阵测向算法_朱栋
219332006_超宽带太赫兹调频连续波成像技术
第 21 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.21，No.4Apr.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology超宽带太赫兹调频连续波成像技术胡伟东，许志浩*，蒋环宇，刘庆国，檀桢(北京理工大学毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室，北京100081)摘要：太赫兹调频连续波成像技术具有高功率、小型化、低成本、三维成像等特点，在太赫兹无损检测领域受到了广泛关注。
然而由于微波及太赫兹器件限制，太赫兹信号带宽难以做大，从而制约了成像的距离向分辨力。
虽然高载频可实现较大宽带，但伴随的低穿透性和低功率会限制太赫兹调频连续波成像系统的应用场景。
因此，聚焦于太赫兹波无损检测领域，提出一种时分频分复用的114~500 GHz超宽带太赫兹信号的产生方式，基于多频段共孔径准光设计，实现超带宽信号的共孔径，频率可扩展至1.1 THz。
提出一种频段融合算法，实现了超宽带信号的有效融合，距离分辨力提升至460 μm，通过人工设计的多层复合材料验证了系统及算法的有效性，并得到封装集成电路(IC)芯片的高分辨三维成像结果。
关键词：太赫兹调频连续波；非线性度校准；多频段融合；准光设计；无损检测中图分类号：TN914.42文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2022225Ultra-wideband terahertz FMCW imaging technologyHU Weidong，XU Zhihao*，JIANG Huanyu，LIU Qingguo，TAN Zhen (Beijing Key Laboratory of Millimeter Wave and Terahertz Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)AbstractAbstract：：Terahertz Frequency Modulated Continuous Wave(THz FMCW) imaging technology has attracted extensive attention in the field of THz Nondestructive Testing(NDT) because of its high power,miniaturization, low cost, three-dimensional imaging and other characteristics. However, due to thelimitation of microwave and terahertz devices, the terahertz signal bandwidth is difficult to expand, whichrestricts the range resolution of imaging. Although high carrier frequency can achieve large broadband,the accompanying low penetrability and low power will limit the application scenario of THz FMCWimaging system. Therefore, focusing on the field of terahertz wave nondestructive testing, this paperproposes a time-division frequency-division multiplexing 114~500 GHz ultra-wideband terahertz signalgeneration method, which is based on the quasi-optical design of multiband common aperture to achievethe common aperture of ultra-wideband signals. In addition, a multiband fusion algorithm is proposed toachieve effective fusion of ultra-wideband signals, and the range resolution is improved to 460 μm. Theeffectiveness of the system and algorithm is verified by artificially designed multilayer compositematerials, and the high-resolution 3D imaging results of Integrated Circuit(IC) chips are obtained.KeywordsKeywords：：Terahertz Frequency Modulated Continuous Wave；non-linearity calibration；multiband fusion；quasi-optical design；Nondestructive Testing太赫兹波(0.03 mm~3 mm)在电磁波谱中位于微波与红外之间，由于其独特的穿透性与非电离性等特性，太赫兹技术已成功用于艺术品保护、工业产品质量控制、封装集成电路(IC)无损检测等领域[1-3]。
基于相异度的快速MIMO天线选择算法
Ｘ ｅＺ ｉｉ ， ｉ Ｓ ｕｕ ｎ， ｉｎＹ ｂ ， ａ ｅｙ ｉ ｈｂｎ Ｌｕ ｈ ｊａ Ｔａ ｕ ｏ Ｙ ｎ Ｐ ｉ ｕ
（ ｃｏｌ ｆ ｌ ｔ ｎｃ ｎ ｎ ｒ ｔ ｎ ＪａｇｕＵ ｉｅｓｙｏ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ｈ￣ｉ ｇＪａｇｕ２ ２ ０ ，Ｃ ｉａ Ｓｈｏ ｏ Ｅｅ ｒ ｉ ａｄＩｆ ｍａｉ ， ｉ ｓ ｎｖｒｉ ｆ ｉ ｅａｄＴｃ ｎｌ ｙ Ｚ ｅ ａ ｉｎｓ １０ ３ ｈｎ ） ｃｏ ｓ ｏ ｏ ｎ ｔ Ｓ ｎ ｏ ｎ
天线选 择 ， 实现 了随 着 迭代 次 数 的增 加 ， 统 性 能 系
逐渐 逼近 最优 性能 ； 文献 ［ ］ ６ 采用 遗 传 算法 进 行 天 线选 择 ， 到 了接 近 最 优 的 容量 性 能 ， 时降 低 了 得 同 系统 复杂 度 ； 献 ［ ］ 出基 于模 拟 退火 算 法 的 天 文 ７提
测度 天线 间的差异 程度 ， 并对 其进 行合理 的加 权运
算 ， 到 了更 准 确 的相 关度 测 度 结 果 ． Ｃ Ｍ 相 得 与 Ｂ 比 ， 大程度 上 降低 了容 量损 失 ， 较 同时 ， 所提 准则不 包 含矩 阵运算 ， 具有 很 好 的 实 时性 和 快 速性 ， 适用
对于信 道矩 阵 ， 出任 意两行 的绝对 误差 向量 求
Ａｂｔａ ｔ Ｔ ｅｅｈ ｕｔ ｅｓａ ｈａ ｏｉ ｍ ｏ ｔ ｎ ｅｏｔ ａ ｐ ｒ ｒ ａ ｃ ｕｔ ｌ— ｐ ｔｍ ｌｐ ｕ （ Ｉ ｓ ｃ： ｈ ｘ ａ ｓｖ ｅｒ ｌ ｒ ｈ ｂａ ｓｔ ｐｉ ｌ ｅｆ ｍ ｎ ｅｉ ｍ ｌｐｅｉ ｕ ｕｔ ｌ ｏ ｔ Ｍ — ｒ ｉ ｃ ｇ ｔ ｉ ｈ ｍ ｏ ｎ ｉ ｎ ｉｅ Ｍ Ｏ）ａ ｔ ｎ ｅ ｃ ｏ ，ｂ ｔｔ ａ ｅｈ ｇ ｏ ｕａ ｏ ｏ ｐｅｉ ｎ ａ ｏ ｂ ｐ ｌ ｄｔ ｒａ－ｍｅｃｍ — ｎｅ ａｓｌ ｔ ｎ ｕ ｉ ｈ ｓ ｈ ｕ ｅｃｍｐ ｔ ｉｎｃｍ ｌ ｔ ａ ｄｃｎｎ ｔ ｅａｐｉ ｅｌｉ ｏ ｍｕ ｎ ｅｉ ｔ ｔ ｘｙ ｅ ｏ ｔ
阵列天线单元间耦合的分析计算及补偿
第一章绪论
行了分析和校正。首先用谱分析法推导了最佳权矢量及信号干扰噪声比的表达式，仿 真计算了互耦对自适应天线阵列的信号干扰噪声比的影响，给出了一种校正互耦的方 法，数值模拟了校正的效果。其次，用直接数据域方法，先建立电场积分方程，用矩 量法求解这一方程，在每一个阵子上选用多个基函数，使得计算更精确，更有利于考 虑互耦的影响，给出了选择此种基函数时阵元端口处测量电压的表达式和理想情况下 即不考虑互耦时均匀直线阵的恢复期望信号的表达式，通过比较不考虑互耦和考虑互 耦两种情况时恢复期望信号随干扰的变化情况，说明了互耦对系统性能的影响。最后 给出了校正耦合的直接数据域方法，阐述了校正原理，给出了计算公式，并通过实例 与用开路电压校正的效果相比较，显示了本方法的优越性。
用矩量法计算了同轴馈电的矩形微带贴片阵列的电流分布，在求解广义阻抗矩阵 时，给出了一种解析方法与数值方法相结合的方法。分析了计算耦舍矩阵的不同方法 和各自适用的条件，用其中的～种算法算出的耦合矩阵，只与天线阵列的物理特性有 关，不随阵列扫描角的变化而变化。给出了一种补偿互耦的方法。这种计算和补偿互 耦的方法不限于微带阵列，它可以应用到任意类型任意排列的小型天线阵中。
ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆｍｏｍｅｎｔ，ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ＭｏＭ
ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｒｉｘ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｃｏｍｂｉｎｅ ｏｆ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ． Ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍａｔｒｉｘ ａｎｄ ｇｉｖｅ ｏｕｔ ａｌｌ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｊｕｓｔ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｎｏｔ ｃｈａｎｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＳＣａｎ ａｎｇｌｅ．Ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｕｔｕａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔ ｔｏ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ａｒｒａｙｓ ａｎｄ Ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｎｙ ｓｍａｌｌ ａｎｔｅｎｎａ ａｒｒａｙｓ ｏｆ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｔｙｐｅ ａｎｄ ａｒｒａｎｇｅ．
阵列天线测向算法及子阵划分研究的开题报告
阵列天线测向算法及子阵划分研究的开题报告一、研究背景和意义：随着通信技术的快速发展，人们对通信的需求越来越高，尤其是个人移动通信、微波通信、宽带通信和卫星通信等方面，需要更高的通信传输速度和更可靠的通信系统。
阵列天线技术作为一种有效的天线系统，因其具有指向性强、抗干扰能力好、容量大、传输距离远等优点，在通信、雷达、监视等领域得到了广泛的应用。
阵列天线测向算法及子阵划分研究是阵列天线领域中的一个研究热点问题。
该问题主要涉及到如何利用天线阵列来实现较高的测向精度和控制信号传输方向，同时也需要考虑如何在阵列天线系统中进行子阵划分实现多信号源的接收。
因此，研究阵列天线测向算法及子阵划分，对于提高阵列天线系统的接收性能和通信效率具有很重要的意义。
二、研究内容和研究方法：1.研究内容：（1）阵列天线的基本原理和几种常见的测向算法的原理和特点分析（2）设计基于阵列天线的信号处理系统，实现对信号源的测向和信号接收（3）研究阵列天线的子阵划分算法，并分析其在多信号源接收的应用（4）结合实际系统，进行仿真实验和实验验证，验证算法的有效性和性能2.研究方法：（1）文献调研法：收集、整理和分析相关的阵列天线测向算法、子阵划分算法和实验方法的国内外研究成果。
（2）数学建模法：基于阵列天线系统的基本原理和信号处理算法，构建数学模型，分析和优化算法性能。
（3）软件仿真法：使用MATLAB等数学仿真软件，模拟阵列天线信号的接收与处理。
（4）硬件实验法：通过搭建阵列天线系统的实验平台，验证算法的有效性和性能。
三、预期成果和研究意义：1.预期成果：（1）阵列天线测向算法的研究成果，包括阵列天线中几种常见的测向算法的比较分析和优化方案。
（2）针对多信号源情况，提出一种子阵划分算法，并通过仿真验证其在信号接收和测向方面的性能。
（3）设计基于阵列天线的信号处理系统，实现对信号源的测向和信号接收，并验证算法的性能和有效性。
2.研究意义：（1）为阵列天线系统的应用提供了有效的测向算法和多信号源接收的实现方案，可以提高阵列天线的通信能力和接收性能。
八木天线的设计仿真与测试
八木天线的设计仿真与测试一、本文概述本文旨在深入探讨八木天线的设计、仿真与测试。
八木天线，又称作Yagi-Uda天线，是一种广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信等领域的定向天线。
其高效、紧凑和易于调整的特性使得它在众多天线类型中脱颖而出。
本文首先将对八木天线的基本原理和结构进行概述，接着详细介绍其设计过程，包括天线元素的选择、尺寸优化以及馈电方式等。
随后，本文将阐述如何利用仿真软件对八木天线进行性能预测和优化，这包括电磁场仿真、S参数分析、辐射方向图计算等关键步骤。
本文将介绍八木天线的实际测试方法，包括测试环境的搭建、测试设备的选择以及测试结果的分析和解读。
通过本文的阐述，读者将对八木天线的设计、仿真与测试有一个全面而深入的理解，为实际工程应用提供有力的技术支持。
二、八木天线设计基础八木天线，也称为Yagi-Uda天线，是一种定向天线，以其高效、紧凑和易于构造的特性而广泛应用于无线通信系统中。
其设计基础主要包括天线振子的排列、相位控制和馈电方式等方面。
八木天线由一根驱动振子（Driven Element）和若干根反射振子（Reflector）与引向振子（Director）组成。
驱动振子负责接收或发射电磁波，而反射振子和引向振子则通过调整与驱动振子的相对位置和相位，来改变天线的辐射特性。
反射振子通常位于驱动振子的后方，用于抑制后向辐射，提高天线的前向增益。
引向振子则位于驱动振子的前方，用于增强前向辐射。
相位控制在八木天线设计中至关重要。
通过调整各振子间的相位关系，可以控制天线的波束指向和宽度。
通常情况下，反射振子与驱动振子之间的相位差为180度，以产生反向电流，抵消后向辐射。
而引向振子与驱动振子之间的相位差则逐渐减小，以产生同向电流，增强前向辐射。
八木天线的馈电方式通常采用同轴电缆或波导。
馈电点的位置对天线的性能有重要影响。
通常，馈电点位于驱动振子的中点，以保证电流的均匀分布。
馈电线的阻抗匹配也是设计的关键，以确保最大功率的传输。
一种舰载一维相控阵二次雷达高精度算法
ZUO Hangzhou, YU Miao, MAO Mengyue, ZHENG Gang
Abstract: With the development of modern radar technique, especially the introduction of phased array radar technique, high
A-CTI 算法实现过程如图 1 所示。
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现代导航
2021 年
步骤 1：读取安装基线信息 各成员舰载雷达天线安装时建立各成员舰载 雷达天线安装基线信息表格，使用时通过成员编号 查找安装基线信息表格，读取相应编号成员舰载雷 达天线安装基线信息。 步骤 2：捷联测量天线姿态信息 垂直捷联和雷达天线安装的舰船同一水平基 面，可实时测量雷达天线的姿态信息。 步骤 3：雷达天线发射互测成员姿态信息 舰载二次雷达按照时分和频分工作，各成员舰 载雷达之间互相跟踪测量，雷达在跟踪测量时，互
技术，2008，48（7）：113-118. [2] 丁鹭飞，耿富录，陈建春．雷达原理[M]. 西安：电子
工业出版社，2010. [3] 周万幸. 舰载雷达的现状及发展趋势分析[J]. 现代雷达，
2007，29（9）：1-4. [4] 刘显勇，徐向东，魏恭，等. 舰载二次雷达发展与展望
概述[J]. 雷达与对抗，2018，38（3）：5-7. [5] 张光义，赵玉洁．相控阵雷达技术[M]. 北京：电子工
b arctg x, y
（5）
按照 b 布相，即可实现大地等速扫描。 跟踪在不稳定甲板坐标系下进行闭环，跟踪后 得到角度 b，距离 R，假定俯仰角为 （e 初始设为 0）。 转换到不稳定直角坐标系（以下小写 xyz 表示
一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法及装置[发明专利]
![一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法及装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c021eb3e3186bceb18e8bbc8.png)
专利名称：一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法及装置专利类型：发明专利
发明人：朱金鹏,魏玉果,李文超,李焕庆
申请号：CN202010085330.0
申请日：20200210
公开号：CN111180901A
公开日：
20200519
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法，其改进之处在于，包括如下步骤：由高频电离层传播理论和通信或压制距离计算出高频宽带阵列俯仰面扫描范围，进而确定宽带阵面法向角；（2）确定高频斜极化非相似宽带单元天线结构及布局方式；（3）根据高频阵列工作频率，确定边缘正镜像结构：在该阵列顶部增加寄生反射体。
本发明所公开高频精准压制的宽带阵列组阵方法，具有科学研究价值和军事应用前景，为类似高频宽带天线阵等设计和研究提供了一种新的技术路线，也为超宽带系统的应用提供了有力支持。
申请人：中国电波传播研究所(中国电子科技集团公司第二十二研究所)
地址：266107 山东省青岛市城阳区仙山东路36号
国籍：CN
代理机构：北京中济纬天专利代理有限公司
代理人：张晓
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iData_基于比相法的天线阵测向算法_朱栋
·实践与应用·基于比相法的天线阵测向算法朱 栋 王寿峰 张宝健 章 林(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京210007)摘 要:提出了一种基于比相法的5阵元天线阵列测向算法,并对该算法进行了误差仿真分析。
仿真结果表明,该算法虽具有较高精度,但在特定的方位角范围内会引起较大误差。
针对该缺点,采用了旋转参考阵元方法,使得该测向算法在全方位角范围内获得了均匀分布的误差估计值,其均方根误差小于0.1°。
关键词:测向算法;5阵元天线阵列;比相法中图分类号:TN 957 文献标识码:A 文章编号:1674-909X (2012)06-0040-05Direction -Finding Algorithm for Antenna ArrayBased on Phase Comparison MethodZhu Dong W ang Shoufeng Zhang Baojian Zha ng Lin (The 28th Resea rch Institute of China Electro nics Gr oup Co rpo ration,N anjing 210007,China)Abstract :A directio n-finding algo rithm is proposed based on the phase co mpa rison metho d fo r the pentag onal antenna array a nd the error is analy zed by the num erical simulatio n.The simula-tion result show s tha t the alg orithm has a hig h deg ree of accuracy but a rising error in the certain angular rang e .Aim ed a t the disadv antage ,a m ethod for ro tating the reference unit is used ,the er ro r estima tions a re unifo rm ly distributed in the w hole ang ular rang e,and the roo t-mean-square er ro r (RM SE)is less tha n 0.1°by the directio n-finding algo rithm.Key words :direction -finding alg orithm ;pentago nal antenna ar ray ;phase comparison m ethod 收稿日期:2012-08-010 引 言天线阵列已在雷达和移动通信等领域得到广泛应用[1]。
基于比相法的天线阵测向算法
基于比相法的天线阵测向算法朱栋;王寿峰;张宝健;章林【期刊名称】《指挥信息系统与技术》【年(卷),期】2012(003)006【摘要】A direction-finding algorithm is proposed based on the phase comparison method for the pentagonal antenna array and the error is analyzed by the numerical simulation. The simula- tion result shows that the algorithm has a high degree of accuracy but a rising error in the certain angular range. Aimed at the disadvantage, a method for rotating the reference error estimations are uniformly distributed in the whole angular range, and the e rror (RMSE) is less than 0. 1° by the direction-finding algorithm. unit is used, the root-mean-square%提出了一种基于比相法的5阵元天线阵列测向算法，并对该算法进行了误差仿真分析。
仿真结果表明，该算法虽具有较高精度，但在特定的方位角范围内会引起较大误差。
针对该缺点，采用了旋转参考阵元方法，使得该测向算法在全方位角范围内获得了均匀分布的误差估计值，其均方根误差小于0．1°。
【总页数】5页(P40-44)【作者】朱栋;王寿峰;张宝健;章林【作者单位】中国电子科技集团公司第二十八研究所,南京210007;中国电子科技集团公司第二十八研究所,南京210007;中国电子科技集团公司第二十八研究所,南京210007;中国电子科技集团公司第二十八研究所,南京210007【正文语种】中文【中图分类】TN957【相关文献】1.改进的基于频相差法的测向算法实现 [J], 饶县斌;罗国星2.改进的基于频相差法的测向算法实现 [J], 饶县斌;罗国星3.基于子频带分解的宽带信号干涉法测向算法 [J], 张刚兵;刘渝4.基于比幅比相测向法的宽带接收机的设计与实现 [J], 张学成;居易5.基于SFFT的宽带信号互谱法测向算法 [J], 张田;严天峰;杨志飞;杨建辉;王逸轩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
数字阵列天线远场幅相测试的设计与实现
数字阵列天线远场幅相测试的设计与实现
任鹏宇;王团结;朱思桥
【期刊名称】《火控雷达技术》
【年(卷),期】2022(51)1
【摘要】数字阵列天线的应用是未来军用相控阵雷达最主要的发展方向,数字化的设计带来了更高的系统集成度、更远的作用距离、更丰富的自定义功能等优势的同时,在测试技术层面也带来了诸多改变。
本文从数字阵列天线远场测试的角度介绍幅相测试的方法、系统测试设计原理,并针对实际工程应用提供具体实现方式。
实际测试结果表明这些方法和实现方式有效,对于数字阵列天线远场的测试评估具有广泛的工程应用价值。
同时得益于数字化测试的特征,测试过程会形成大量有价值的实验数据,能够为国防大数据分析提供庞大的数据基础,为测试的智能化拓展提供机器学习资源。
【总页数】6页(P92-96)
【关键词】数字阵列天线;远场测试;LABVIEW;大数据分析
【作者】任鹏宇;王团结;朱思桥
【作者单位】西安电子工程研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN958
【相关文献】
1.通道幅相误差对数字阵列天线性能影响及校准
2.通道幅相误差对数字阵列天线性能影响及校准
3.远场天线自动测试系统的设计与实现
4.基于阵列天线测试的远场条件分析
5.数字化相控阵天线远场测试系统设计
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基于分布式MIMO的分层快速天线选择算法
基于分布式MIMO的分层快速天线选择算法
李膺东;朱光喜
【期刊名称】《微电子学与计算机》
【年(卷),期】2009(0)6
【摘要】基于较为精确的分布式MIMO系统信道模型,对下行发射天线选择算法进行研究,提出了一种充分利用了分布式MIMO系统特点的基于范数和相关性的分层天线选择算法,并分别与基于相关性的增量天线选择算法以及基于范数和相关性的增量天线选择算法进行性能比较.仿真结果表明,文中提出的算法在大大降低运算复杂度的前提下,还获得了一定的容量性能提升.
【总页数】4页(P246-249)
【关键词】分布式MIMO系统;天线选择;分层;范数;相关性
【作者】李膺东;朱光喜
【作者单位】华中科技大学电子与信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP31
【相关文献】
1.基于MIMO系统的快速天线选择算法改进 [J], 刘正翔
2.分布式MIMO系统一种基于容量最大化准则的快速天线选择算法研究 [J], 贾冠楠;陆美静
3.一种分布式MIMO系统的快速天线选择算法 [J], 郑娜娥;王大鸣;崔维嘉
4.基于相异度的快速MIMO天线选择算法 [J], 解志斌;刘淑娟;田雨波;颜培玉
5.适用于分布式MIMO系统的快速天线选择算法 [J], 刘慎发;吴伟陵
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一种宽带低剖面相控阵单元天线
一种宽带低剖面相控阵单元天线朱金鹏;刘小国;邓维波;朱文军【摘要】为满足宽带定向低剖面相控阵设计要求,提出了一种立体和平面结构、寄生单元和激励单元相结合、网络和阵列环境相结合的锥形复合定向新颖高增益偶极天线,其单元指标为增益约6～8 dBi、阵面高度为0.135λmax,由该单元组成的阵列的计算结果表明:该天线可以满足3个倍频程、30°扫描要求,为实现低剖面定向超宽带天线提供一种技术路线,为超宽带系统应用提供了有力支持.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)005【总页数】5页(P897-901)【关键词】宽带定向;低剖面;高增益【作者】朱金鹏;刘小国;邓维波;朱文军【作者单位】哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001;中国电波传播研究所,山东青岛266107;中国电波传播研究所,山东青岛266107;哈尔滨工业大学,黑龙江哈尔滨150001;中国电波传播研究所,山东青岛266107【正文语种】中文【中图分类】TN821+.8引言低剖面定向宽带天线是无线通信技术、机载天线技术中一个热点研究方向，其难点是单元带宽设计(如阻抗、增益和波束等要求)，尤其是在组阵过程中.近年来，国内外针对天线宽带技术展开了深入研究，取得一定的研究成果，文献[1-6]在常规天线附近增加谐振频率不同的寄生单元以展宽天线带宽，但该方法带来了天线尺寸较大和频带内方向图不稳定等缺点[7-8]；文献[9-13]在天线端口增加宽频带的匹配技术拓展带宽，但研究表明该方法改善带宽能力是有限的.从已发表的文献看，多数是研究如何提高单元天线带宽或使得单元天线满足接收阵列要求，很少有从发射角度考虑定向天线宽带特性，且其中天线形式也比较单一.本文从发射角度出发，提出一种立体结构和平面结构相结合的复合电小天线，运用阵列环境展宽单元天线带宽，计算表明，该天线单元可以满足低剖面、宽带功率相控阵组阵要求.思想和方法为拓展定向天线带宽设计提供一种技术路线，从而为超宽带系统应用提供了有力支持.1 宽带锥形复合定向天线研究1.1 基本理论在O_xyz坐标系中，设位于z=0无限大导电平面上的M×N个阵元以矩形栅格排列，x、y方向的阵元间距为dx，dy,其中第(0,0)号阵元位于坐标原点.第(m,n)号阵元位置矢量和激励复电流为：ρmn=mdxi+ndyj，Imn=Imnexp(-jΨmn)πmn.若不计单元互耦，阵列的远场场强为E(θ,ϑ)(θ ϑ)exp(jkρmn·r)emn,式中：πmn为第(m,n)线极化单位矢量；fmn(θ,ϑ)为远场方向图函数； emn为远场辐射极化单位矢量；r为观察方向单位矢量.根据以上表达式，为避免栅瓣出现，其单元最大理论间距为dx，dy≤λ/(1+sin θm),其中θm为最大扫描角，如天线工作频率带宽为3个倍频程、θm=30°时，计算得到单元间距最大值为0.22λmax.综上所知，天线阵列设计中单元间距与扫描角和频带宽度相互矛盾，因此对于宽带相控阵中单元天线，其单元长度相对低频属电小天线范畴.文献[16-17]根据电小天线ka≪1的特点，分析了定向天线的最大增益与Q值比，通过推导可得到以下简式(1)由式(1)看出定向电小天线Q值极限值只与频率和线径a有关，其最大增益为3；而Rhodes定义天线的Q值可以表示为如下形式[18]，(2)由式(2)可看出，天线的品质因素可以用天线的输入阻抗 (R0(ϖ0)+jX0(ϖ0))特性来近似表达，单元天线增益由端口效率η和方向系数D确定，需要说明的是式(1)、(2)在文献[16-18]中只考虑电小天线本身.依据式(2)对阵中单元进行研究，增加天线线径、运用单元的阵列环境提高天线的输入电阻或降低电抗值，达到降低单元天线Q值的目的，从而提高电小天线的增益和阻抗带宽，为改善天馈系统功率匹配，在单元端口增加了LC网络.1.2 低剖面宽带锥形定向复合天线单元研究根据以上理论，为满足线极化平面相控阵的3倍频、扫描30°要求，其单元间距d 应小于0.22λmax，由此得到相控阵单元横向全尺寸L应小于)0.22λmax.依据球形空间电小天线理论和倒V对称振子天线基本特性，本文提出一种锥形复合定向新颖偶极天线(见图1)，其阵面距离反射面高度为0.135λmax.图1 锥形复合定向天线示意图从图1看出，天线采用分层设计，上层低频天线体采用四边形锥形结构、下层高频天线体采用平面结构；当天线工作在高频时，低频天线体作为高频天线寄生单元，通过高、低层天线间距选择可以改善高频天线阻抗和增益带宽.运用矩量法对天线进行数值计算[19-20]，得到天线上的电流分布，进而求得其它电参数.图2(b)是通过数值计算得到高频天线驻波比，在1.9fmin～3.1Ωfmin区间内驻波比小于2(参考阻抗为100 Ω)；(a) 低频天线驻波比(b) 高频天线驻波比图2对于低频天线，采用立体锥形结构后，其对称振子谐振频率向低频偏移(为0.32λ)，但由于该天线在低频段属于电小天线，其辐射电阻较小，因此其驻波比随频率降低而急剧恶化，从而达不到与系统之间宽带匹配要求，见图2(a)，图中参考阻抗为50 Ω.由于天线采用分层设计，其低频天线面、高频天线面分别到地网距离电高度基本不变，因此其天线方向系数随频率变化较小(见图3)，另从图中看出该天线在3倍频程内方向系数大小为6～8 dBi.图4是该天线E面方向图，从图中看出，在工作频带内波束宽度大于60°，满足30°扫描要求.图3 锥形复合定向天线方向系数图4 锥形复合定向天线E面方向图通过以上分析计算，除低频天线驻波比外(低频天线阻抗匹配主要依靠阵列环境和匹配网络)，该天线单元具有频带宽、电尺寸小、剖面低等优点.文献[6]设计了一种宽频带双层伞形天线单元，其单元阻抗相对带宽为1.48倍频(驻波比小于等于2)，而设计的高频天线阻抗相对带宽为1.63倍频.2 3×3平面阵计算为更好地验证天线单元可用于平面阵的组阵单元，计算此天线单元在3×3矩形平面阵(见图5)中的电特性及阵列特性，在该阵存在4种不同状态(#1,#2,…,#4).根据工作频率划分，此3×3矩形平面阵包括3×3低频阵和3×3高频阵.由于低频天线间距较小其单元间耦合严重，图6给出了单元#1和#2之间的散射系数测试值，其端口参考阻抗为50 Ω.图5 3×3矩形平面阵示意图图6 3×3低频天线阵单元#1、#2端口之间散射系数随频率变化曲线图7给出了低频天线#4输入阻抗R(#4open)+jX(#4open)(其他单元端口开路)和3×3矩形阵阵中单元#4有源阻抗R(#4TT)+jx(#4TT)随频率变化曲线，从图中看出，由该单元组阵后，其阻抗得到明显改善，从而提高了电小天线的阻抗带宽和效率.图7 单元#4在两种状态下阻抗随频率变化曲线为使天线和馈线之间功率有效传输，在低频天线端口增加LC匹配网络，其网络参数可用表示，则得到网络输入端口有源反射系数Γin=S22+S21(I-STTS21)-1STTS12，其中STT为天线阵中单元端口有源反射系数，网络参数可通过优化得到，限于篇幅这里不再赘述.由于高频天线阵单元间距较大，其单元间耦合对天线端口影响较小，图8给出了3×3矩形阵中单元#4高频天线阻抗随频率变化曲线，从图中可知其阻抗比较平稳. 图9是3×3低频天线阵4种阵中单元在加入匹配网络后的等幅同相激励条件下的驻波比，其驻波比小于2.5.图8 3×3高频天线阵阵中单元#4输入阻抗随频率变化曲线图9 3×3低频天线阵阵中单元驻波比随频率变化曲线以上计算表明，3×3天线阵在低频和高频内单元天线的驻波比满足3倍频程要求.对于阵列扫描阻抗失配，依据Knittel[21]提出的匹配技术：减小单元间距可使阻抗随扫描角的变化显著减小，单元间距为0.22λmax(远小于0.5λmax)，因此有效改善了相控阵天线设计中宽带宽角扫描问题.3 结论基于目前一些应用系统对水平极化定向相控阵天线单元提出的高要求，在对传统宽带天线单元优缺点分析的基础上，综合已有宽带天线单元设计方法，提出了一种立体和平面结构、寄生单元和激励单元相结合、网络和阵列环境相结合的锥形复合定向小型化新颖高增益偶极天线.通过对由此天线单元组成的3×3矩形平面阵的分析和计算，结果表明，此天线单元满足平面阵列的组阵要求，从而为宽带宽角扫描的有源相控阵天线系统提供了一种新型的天线单元形式，且可为其他宽带天线系统的设计提供技术参考.与常规的宽带相控阵天线单元相比，提出的相控阵单元有如下突出特点：1) 天线单元采用立体和平面结构、寄生单元和激励单元相结合展宽天线带宽；2) 运用阵列环境提高电小天线增益，在单元端口增加匹配网络使宽频带内阵中单元驻波比满足小于2.5的要求，从而可实现功率的高效辐射；3) 天线单元剖面低、电尺寸小，低频振子距离反射面高度约0.135λmax，长度仅约0.22λmax；4) 天线单元阻抗、方向图带宽可达3倍频程，波束宽度满足30°扫描要求，其增益在带宽内稳定(6～8 dBi).参考文献[1] CHENG C H, LI K, MATSUI T. 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基于遗传算法的相控阵天线口径激励的多阶振幅量化
基于遗传算法的相控阵天线口径激励的多阶振幅量化
汪一心;朱桓;徐晓文;李世智
【期刊名称】《微波学报》
【年(卷),期】1999(15)4
【摘要】本文利用二进制编码的遗传算法实现天线阵口径激励的振幅量化。
该方法考虑了互耦的影响和大扫描角的情况，计算实例为98单元偶极子线阵，它安装在理想反射面上，单元距离反射面λ0／4，采用7阶振幅量化。
在不扫描情况下可达到峰值副瓣-35dB，在60°扫描角情况下可达-30dB。
【总页数】5页(P391-395)
【关键词】相控阵天线;振幅量化;遗传算法;口径;激励
【作者】汪一心;朱桓;徐晓文;李世智
【作者单位】北京理工大学电子工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TN821.8
【相关文献】
1.多阶振幅量化加权二维固态有源相控阵天线的设计与分析 [J], 高铁;李建新
2.机载固态有源相控阵指数约束二维可分离的多阶振幅量化低副瓣口径综合 [J], 高铁
3.机载固态有源相控阵指数约束二维可分离的多阶振幅量化低副瓣口径综合 [J], 高铁;陈树铮
4.固态有源相控阵天线多阶振幅量化及副瓣特性的研究 [J], 高铁;李建新
5.多阶振幅量化加权二维固态有源相控阵天线的设计与分析 [J], 高铁;李建新因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
阵列天线超分辨方法研究及数值仿真的开题报告
阵列天线超分辨方法研究及数值仿真的开题报告一、研究背景和意义天线技术是目前通信领域的重要技术之一，随着通信技术的发展，天线的使用范围也越来越广泛。
阵列天线是一种应用广泛的天线结构，其具有高增益、高方向性、宽带等特点，被广泛应用于雷达、卫星通信、移动通信等领域。
然而，阵列天线在超高频和毫米波等高频段往往面临着重大的制约，例如常规阵列天线的方向图模糊、空间分辨率低等问题。
因此，如何提高阵列天线的空间分辨率和方向图的清晰度，是当前热点研究领域之一。
在此背景下，研究阵列天线的超分辨方法，对于提高阵列天线的性能具有重要的意义。
二、研究内容和目标本课题的研究内容主要为阵列天线的超分辨方法研究及数值仿真，旨在通过数值仿真研究阵列天线超分辨方法的优化和改进，实现对阵列天线方向图模糊、空间分辨率较低等问题的解决，达到提高阵列天线性能的目的。
具体研究内容包括：1. 阵列天线超分辨方法研究：主要针对常规阵列天线方向图模糊、微弱信号低效、空间分辨率低等问题，探究其超分辨方法的数学模型和实现方法。
2. 数值仿真：通过使用MATLAB等软件进行数值仿真，进行超分辨方法的模拟，分析其在不同情况下的性能表现。
3. 结果分析与评估：对模拟结果进行分析，对超分辨方法的性能进行评估，并针对性地提出改进方案。
三、预期成果1. 阵列天线超分辨方法：建立阵列天线超分辨方法的数学模型和实现方法，实现阵列天线的高精度方向图和高分辨率成像效果。
2. 数值仿真结果：利用数值仿真软件对阵列天线超分辨方法进行模拟，得出其性能表现，并通过仿真数据完善改进方案。
3. 研究报告：撰写系统的研究报告，介绍研究方法、结果、实验数据分析、总结等内容。
四、研究方法本研究采用数值计算仿真研究方法，包括理论研究与数值仿真两个部分：1. 理论研究：通过对阵列天线超分辨方法的相关文献的查阅和分析，总结已有研究成果，明确研究方向和重点，建立阵列天线超分辨方法的数学模型和实现方法。
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·实践与应用·基于比相法的天线阵测向算法朱 栋 王寿峰 张宝健 章 林(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京210007)摘 要:提出了一种基于比相法的5阵元天线阵列测向算法,并对该算法进行了误差仿真分析。
仿真结果表明,该算法虽具有较高精度,但在特定的方位角范围内会引起较大误差。
针对该缺点,采用了旋转参考阵元方法,使得该测向算法在全方位角范围内获得了均匀分布的误差估计值,其均方根误差小于0.1°。
关键词:测向算法;5阵元天线阵列;比相法中图分类号:TN 957 文献标识码:A 文章编号:1674-909X (2012)06-0040-05Direction -Finding Algorithm for Antenna ArrayBased on Phase Comparison MethodZhu Dong W ang Shoufeng Zhang Baojian Zha ng Lin (The 28th Resea rch Institute of China Electro nics Gr oup Co rpo ration,N anjing 210007,China)Abstract :A directio n-finding algo rithm is proposed based on the phase co mpa rison metho d fo r the pentag onal antenna array a nd the error is analy zed by the num erical simulatio n.The simula-tion result show s tha t the alg orithm has a hig h deg ree of accuracy but a rising error in the certain angular rang e .Aim ed a t the disadv antage ,a m ethod for ro tating the reference unit is used ,the er ro r estima tions a re unifo rm ly distributed in the w hole ang ular rang e,and the roo t-mean-square er ro r (RM SE)is less tha n 0.1°by the directio n-finding algo rithm.Key words :direction -finding alg orithm ;pentago nal antenna ar ray ;phase comparison m ethod 收稿日期:2012-08-010 引 言天线阵列已在雷达和移动通信等领域得到广泛应用[1]。
根据不同用途,天线阵列有直线阵、圆环阵、平面阵和十字交叉阵[2]等排列方式。
测向(DO A 估计)是阵列信号处理的主要研究内容。
直线阵仅能测出一个维度上的角度。
3阵元L 形排列的天线阵列,可同时测出仰角和方位角[3]。
但由于天线阵元间的互耦、天线阵载体等原因使波阵面发生畸变,入射波相位和幅度分布失真,信号处理过程中存在大量噪声,3阵元的天线阵列难以获得理想的测向精度。
然而,增加阵元个数,将导致接收机、模数转换器(ADC)、现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)等硬件成本的增加。
根据测向精度要求,兼顾成本,通常采用5阵元或9阵元天线阵列。
理论上,圆环阵测向可在整个方位角范围内获得较为均匀的误差分布,因此,本文采用5阵元正五边形天线阵。
各阵元均为全向天线,天线本身不发射电磁波,只接收来自目标辐射的信号。
现有的天线阵列测向算法主要有:比相法[4]和基于比相法的相关法[5],比幅法[4],以及空间谱估计类的最大熵法(M EM )[6]、最小方差法(MV M )[7]、多重信号分类法(M U SIC)[2,8]、旋转不变子空间法(ESPRIT)[9-10]和极大似然法[11-12]。
其中,比幅法需同时产生2个相邻第3卷 第6期 2012年12月指挥信息系统与技术Co mmand Info rma tio n Sy stem and T echnolog y V o l.3 N o.6Dec.2012的波束,而波束形成受到瑞利限的限制。
空间谱估计类算法虽然能实现高分辨率角度估计,但算法复杂,难以工程实现。
而比相法最为简单,也最易于工程实现。
但是,现有的比相法仅适用于2阵元或L 形排列的3阵元天线阵[3]。
本文以比相法为基础,即每2个阵元之间先进行比相,再由比相结果推导出5阵元天线阵列的测向算法。
1 比相法比相法原理如图1所示。
因为平面波到达阵元i 和j 时经过的距离不同,阵元i 和j 接收信号之间会产生相位差。
如果忽略各接收通道的不一致性,则利用2阵元之间的相位差即可计算来波方向。
图1 2阵元比相法基本原理定义λ为信号的波长,阵元i 和阵元j 之间的距离为d ,阵元i 和j 之间的相位差为O ij =O i -O j ,方位角T 为从基准方位顺时针旋转角度,则有如下关系式:O ij =2πλd sin T (1) 由式(1)可知,任意2个阵元之间比相可获得方位角T ,实际工程应用中采用查找表的方式即可快速算出方位角。
该方法也存在缺陷,首先是测量结果的二值模糊问题。
如图2所示,黑色和灰色箭头所示的来波方向能使2阵元间产生相同的相位差,仅1个阵元对无法解决此二值模糊问题,多个阵元对同时测量理论上可以解决二值模糊问题。
当多个阵元对独立测向时,噪声会产生测量误差,难以找出共同解。
图2 2阵元比相法的二值模糊问题 当d >λ时,会产生多值模糊问题。
当d 增大到一定程度时,O 可能超过2π,即O =2πN +h ,h 为鉴相器的实际读数。
由于N 值未知,真实的O 值不能确定。
但提高d 的值可以提高测量精度。
因此,通常采用长短基线结合的方法。
长基线用于提高测向精度,短基线用于求解整数N 。
本文将d 限定在λ/2内,以避免多值问题。
以多个阵元对比相再融合方法,弥补短基线带来的误差问题,以提高测量精度。
对式(1)两边微分分析2阵元比相法的固有误差,可得:d T =λ2πd cos Td O ij(2)其中,d Oij 为鉴相器的读数误差。
由式(2)可知,除了信号波长和阵元间距,相位法的测量误差与方位角有关。
提高测角精度的方法有:提高鉴相器的精度;提高d 。
假定鉴相器的读数误差固定,则比相法的误差与cos T 成反比,其关系如图3所示。
当T →±90°时,即来波方向与基线平行时,误差最大;当T →0°或±180°时,来波方向与基线垂直,误差最小。
因为各阵元对的几何方向不同,所以每个阵元对测向结果的精度各不相同。
如何融合这些数据,提高测向精度是本文首要解决的问题。
图3 2阵元比相法的固有误差分布本文采用正五边形的排列方式,任意2个阵元比相,共有10种组合。
基线距离d 有2种取值:五边形的边长和对角线。
对角线长度为d ′,边长为d 。
由五边形的几何关系可知d ′/d =2sin54°≈1.62。
把边长d 限定在λ/2以内,则d ′不会超过λ,对角线阵元对比相不会产生多值模糊问题。
当d 取λ/2,仅当(cos T )max =±1时,T 达最大精度,其值为ΔO /π,其中ΔO 为鉴相器的误差。
设鉴相器的误差为±1°,即使对角线阵元,最大精度仅约0.2°。
41第3卷 第6期朱 栋,等:基于比相法的天线阵测向算法2 基于比相法的5阵元测向算法阵元对比相的数据融合方法的精度必须高于单一阵元对,且需避免单一阵元对鉴相精度在全方位角范围内不均匀以及消解二值模糊问题。
各阵元的几何方向可看作阵元对从水平位置旋转V 角度后的结果,如图4(a )所示。
鉴相公式变为:O ij =2πλd sin(T -V )(3) 图4(b)中,V 01为阵元0-1基线的旋转角度,其他角度表示形式以此类推,参考阵元均为阵元0。
图4 各种阵元对方向角γ定义如图5所示,考虑三维空间,实际来波方向带有仰角U ,则以正五边形的边长为基线的鉴相公式如下:sin(T -V 01)=λO 01co s U /(2πd )sin(T -V 12)=λO 12co s U /(2πd )sin(T -V 23)=λO 23co s U /(2πd )sin(T -V 34)=λO 34co s U /(2πd )sin(T -V 40)=λO 40co s U /(2πd)(4)图5 三维空间带仰角的鉴相原理 由正五边形的几何性质可知,V 01=36°,V 12=108°,V 23=180°,V 34=-108°,V 40=-36°。
代入式(4),由三角公式sin(x +y )=sin x cos y +cos x sin y 可得:sin T cos36°-co s T sin36°=λO 01co s U /(2πd )sin T cos108°-cos T sin108°=λO 12cos U /(2πd )-sin T =λO 23cos U /(2πd )sin T cos108°+cos T sin108°=λO 34cos U /(2πd )sin T cos36°+co s T sin36°=λO 40co s U /(2πd )(5) 将式(5)中第1式和第5式左右两边分别相加和相减后再相除,第2式和第3式作同样处理,则:tan T =O 40+O 01O 40-O 01ta n36°tan T =O 34+O 12O 34-O 12ta n108°sin T =-λO 23co s U /(2πd )(6) 考虑对角线阵元的鉴相公式。
注意到基线0-2和基线3-4平行,基线0-3与基线1-2平行等几何关系,可以套用上述公式,仅把基线距离改成d ′,可得以下公式:tan T =O 20+O 03O 20-O 03tan108°tan T =O 31+O 42O 31-O 42tan36°sin T =-λO 14co s U /(2πd ′)(7) 式(6)和式(7)进一步简化为:A =tan T =O 40+O 01O 40-O 01+O 31+O 42O 31-O 42tan36°4+O34+O 12O34-O 12+O 20+O 03O 20-O 03tan108°4B =sin T =-λcos U4c (O23/d +O 14/d ′)(8) 10个阵元对需计算10次反三角函数,经简化后计算量大大降低。