基于均匀圆形阵列的OAM复用通信研究

轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)独特的模分复用(modular division multiplexing,MDM)无线通信作为超越第五代(5G)技术的新兴候选者引起了广泛关注。均匀圆形阵列(uniform circular array,UCA)为模拟涡旋波提供了实现平面紧凑解决方案的潜力。利用柱面坐标系下OAM-UCA因子对单环均匀圆形天线阵列进行研究,并对通信性能进行分析,结合软件无线电技术(software defined radio,SDR)建立OAM无线通信,经实验证明该系统可在真实的信道环境中实现视频信号的实时传输。同时将OAM与正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)联合通信实际应用提供可能,在未来通信领域具有潜在应用价值。

LED大型圆形阵列的光斑照度均匀性

应用LED芯片的照度公式以及LED大型圆形阵列照度分布的对称性,建立了研究LED大型圆形阵列照度均匀度的物理模型,推导出计算LED大型圆形阵列照度均匀度的公式。利用该公式研究了LED大型圆形阵列照度均匀度随阵列半径、随m值以及随目标距离的变化规律。得出:照度均匀度随阵列半径的增加而非线性地增大;照度均匀度随m值的增加而非线性地增大;照度均匀度随目标距离的增加而非线性地减小。这些规律为提高LED大型圆形阵列的照度均匀性提供了理论依据,也为LED大型圆形阵列的照度均匀性设计提供了研究方向和计算方法。弥补了之前研究LED阵列照度均匀性其研究方法上的不足。

方形单元衍射光学阵列器件实现近圆形均匀焦斑

本文以方形激光输入、圆形均匀焦斑输出为例，分析比较了整体式和阵列式衍射光学器件获取圆形均匀焦斑的能力通过在阵列式器件方形单元间附加线性相移来改变各子焦斑的相互位置、重叠区域，从而逼近于一定直径的近圆形均匀焦斑该方法将二维问题转化为一维，减少计算量采用基于爬山法与模拟退火法相结合的混合算法设计相位分布结果表明了该方法的有效性。

均匀圆形阵列基于指数形式导数更新的STAP算法

机载相控阵雷达采用均匀圆形阵列天线具有全方位扫描、同时实现仰俯-方位角估计和天线方向图好等优点;但圆形天线特殊的几何结构使得其各距离单元回波不是独立同分布的样本,造成了空时自适应处理技术性能急剧下降。本文提出了一种基于指数形式导数更新(Exponent derivative based updating,EDBU)的杂波抑制方法,该方法通过对样本数据进行指数形式扩展,减小均匀圆形天线机载雷达杂波的非均匀程度,提高统计型空时自适应处理(Space time adaptive processing,STAP)处理器的性能。仿真结果表明,该方法不仅明显好于局域处理和杂波距离依赖性补偿算法,而且也优于传统的基于导数更新法。

均匀圆形阵列的局域互谱尺度STAP算法

机载雷达采用均匀圆形阵列天线具有搜索跟踪方式灵活,能实现方位360°扫描等优点,并且当波束在阵列平面内旋转时,波束形状不会有明显改变。本文建立了均匀圆形阵列机载雷达的杂波模型,从杂波谱的空时分布和杂波特征谱的分布两个方面研究了其杂波特性,提出一种固定结构降维结合自适应降秩的STAP算法:局域互谱尺度法,该方法先用固定结构降维处理器将杂波由全空时降至一个维数较低的空间,以减小计算量,降低训练样本数目,然后采用互谱尺度法选取降维杂波协方差矩阵N个最大互谱值对应的特征矢量构成二次降维矩阵,从而保证了在局域范围内,处理器性能最优。仿真结果表明,该算法的性能优于局域处理算法,但运算量和训练样本数与局域处理法相当,且鲁棒性较强。

空域滤波增益可调节的定向性均匀圆形阵列波达角估计

针对定向性均匀圆形阵列因单元天线的位置、主瓣指向及方向函数等因素造成信号来波落入天线旁瓣或零陷内,从而导致部分单元天线接收的信号信噪比低、信息失效的问题,首先研究了定向性均匀圆形阵列天线的方向性增益及功率波束角,随后进一步分析了连续激励在定向性均匀圆阵远场的幅频响应,最后提出了一种与波数无关的基于半功率波束宽度、增益可调节的空域滤波波达角估计模型。仿真实验结果表明,与其他模型相比该模型在低信噪比下具有估计精度高、参与天线少的优点。与传统的定向性波达角估计模型相比,当信噪比为-20 dB时,该模型的临近空间角度分辨力明显优于前者,并且随着可调节滤波增益至10 dB,其临近角度的峰值隔离度可达65 dB。

不同发光半角的圆形LED阵列辐照特性

为了探究不同发光半角对圆形LED阵列辐照特性的影响,利用单颗LED芯片的照度公式推导出圆形阵列的照度公式、光斑半径和发散角公式。使用Tracepro软件对不同发光半角的圆形LED阵列仿真并利用MATLAB进行函数数值拟合。结果表明:在有效光斑区域下,随着单颗LED发光半角的增大,圆形阵列的中心照度值逐渐降低,降低的速率近似线性增长;光斑半径和发散角逐渐增大,变化率先增大后减小。辐照均匀度随着单颗LED发光半角的增大而增大,而后保持稳定,单颗LED发光半角为60°时,圆形阵列辐照均匀度最好,且相同发光半角时接收面面积越小辐照均匀度越高。这些结论对实现圆形LED阵列照明设计提供了定量的参考和理论依据。

均匀天线阵列的空间相关性函数分析

推导了均匀圆形阵列与均匀线形阵列的空间相关性函数精确表达式和近似表达式。表达式由天线间距、阵列形状以及到达角分布构成。利用均匀角能量分布,分析均匀圆形阵列与均匀线形阵列的空间相关性精确模型和近似模型,并利用Matlab进行仿真。仿真结果表明,近似分析在一定的条件下可替代精确分析,并可减少74%的运算时间。

基于圆形阵列的OAM波束产生系统设计与实现

针对目前轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)波束发生器模态单一、设计复杂等问题,设计并实现了一种在X频段内产生可调OAM波束的均匀圆形阵列天线。天线为半径60 mm的圆盘,由8个阵元组成,阵元采用微带天线设计,同轴馈电,在中心频率处回波损耗达-51.5 dB,S_(11)<-10 dB的工作带宽为9.6~10.5 GHz。仿真和实测结果表明,天线可通过调节相位产生7种不同模态的涡旋电磁波,产生OAM为+1的涡旋电磁波纯度可达90%。通过误差分析发现,低模态数的涡旋电磁波对幅度和相位误差具有很好的抗干扰能力,这为利用涡旋电磁波实现目标探测和提高信道容量奠定了基础。

基于高阶累积量虚拟阵列扩展的DOA估计

该文提出了一种基于高阶累积量虚拟阵列扩展的DOA估计新方法。该方法基于高阶累积量孔径扩展的性质,由实际阵元的坐标与方向矢量直接计算出虚拟阵元的坐标与方向矢量,利用两种阵元的坐标之间的关系构造四阶或六阶协方差矩阵,运用MUSIC方法对非高斯独立信号源进行DOA估计。该方法在任意阵列的情况下,对非高斯独立信号源进行一维与二维DOA估计,均能准确地估计出多于实际阵元数目的方向角与仰角。实验表明,该方法简单、有效地扩展了阵列孔径,提高了阵列的空间分辨能力,有效地抑制了高斯噪声的干扰,降低了高阶累积量协方差矩阵的计算量。

基于均匀圆阵的闭环式单基站测向算法研究

为了估算基于均匀圆阵列(UCA)的三维(3D)单基站测向(方位角、仰角和区间),提出了一种改进的适用于三维场景的闭环式算法。该算法是一种计算过程较简单的通用算法,无需使用均匀圆阵列的中心对称性,没有任何传感器数量的限制,只需要一个单独的最小平方程序用于估算基站的位置,并可以估算所有的三维测向参数。实验结果表明,相比多种类似算法,所提算法的性能可与三维MUSIC算法的性能相媲美,且计算复杂度更低,实现速度更快。

均匀圆阵多约束实数权直接数据域处理

研究了均匀圆形天线阵列STAP处理中一种改进的直接数据域方法.该方法仅通过幅度加权即能有效抑制杂波和干扰,实现对目标信号的正确估计.当目标信号的方向与天线波束指向有偏差时,采用多约束的方法,保证系统在目标信号方向的增益.实验结果表明了该方法的有效性.

基于蝶形振子的涡旋电磁波天线阵列设计

基于均匀圆形阵列(Uniform Circular Array,UCA)产生涡旋电磁波的原理,提出一种以变形蝶形振子为阵元的八元涡旋电磁波阵列的设计。通过给阵元馈以等幅等相位差的激励信号,阵列能够辐射出涡旋电磁波,且通过改变阵元间激励信号的等相位差值,改变涡旋电磁波的模态数,能够为日益拥挤的频谱利用带来新的频率复用方式。仿真结果表明:天线阵列的-10 dB阻抗带宽(l=1时)为9.62~10.46 GHz(8.4%),带宽性能良好;各模态中电磁波波前相位均呈现清晰的螺旋结构,相位分布稳定;不同模态下阵列的最大增益均达9.5 dB以上,增益性能良好。

基于泰勒级数下的均匀分布的空间相关性分析

通过对泰勒级数的展开,推导了均匀角能量分布的线性阵列和圆形阵列空间相关性的泰勒近似表达式。在对空间相关性的精确表达式的基础上,通过泰勒级数的展开,得到近似的相关性的表达式,在Matlab环境下进行仿真,对泰勒级数展开的近似算法与以往的近似算法进行了比较,并将基于泰勒级数展开的近似算法与精确算法进行比较,结果表明在一定条件下,泰勒近似算法与精确算法在很大范围内有很好的一致性。通过近似算法的分析可以得出,在一定范围内,增大天线间的距离以及角能量分布标准差可以减小天线阵列的空间相关性。

等衰落轨道角动量索引调制系统的信道容量性能分析

射频轨道角动量(orbital angular momentum,OAM)提供了一种可以在同一载波频率物理信道上复用一组正交模式以提高信道容量的方法。现有研究大多专注于信道容量提升,对系统复杂度的研究相对较少。在基于均匀圆形阵列(uniform circular array,UCA)的OAM通信系统中,发射机需要完成大量调制运算以生成OAM信号。于是,提出了一种等衰落轨道角动量索引调制(equal fading orbital angular momentum index modulation,EOAM-IM)方案,其中,IM有效降低了OAM调制运算复杂度,且等衰落发射机也保证了不同模式OAM子信道传输增益。此外,还详细推导了所提EOAM-IM方案的系统信道容量。仿真结果表明,所提EOAM-IM方案能以更低的调制复杂度获得比传统OAM方案更高的信道容量。

基于MUSIC算法的反辐射导弹抗诱饵诱偏

为实现反辐射导弹抗雷达诱饵诱偏．根据诱饵诱偏反辐射导弹的原理，提出采用均匀圆形阵列天线结构对雷达及诱饵进行定位，并使用MUSIC算法估计其到达角。分析了均匀圆形阵列角度模糊问题，得到了其不模糊条件。给出了均匀圆形阵列结构下的二维MUSIC算法．该算法能对非相干的多辐射源到达角进行估计。最后对五元阵结构下的两点源进行了仿真计算，仿真结果证明了采用该方法能有效抗雷达诱饵诱偏。

直接数据特征值分解的相干源DOA估计

提出一种基于均匀圆阵单次快拍数据的相干信源波达方向(direction of arrival,DOA)估计方法——直接数据特征值分解(direct data eigenvalue decomposition,DD-EVD)法.算法通过模式空间转换将均匀圆阵虚拟为均匀线阵,再直接利用波束空间的快拍数据,构造一个Toeplitz矩阵,并对矩阵按阵列流形分解.理论推导证明,矩阵的秩得到恢复,只与入射信号个数有关.对该矩阵进行特征值分解可得到正确的信号子空间和噪声子空间,进而完成相干信源DOA估计.算法使用单次快拍数据构造矩阵,适合非平稳信号参数的估计,同时不需要快拍累计和相关运算,降低了计算复杂度.仿真结果验证了算法的有效性.

卫星导航系统中天线阵的选择研究

根据功率倒置(PI)阵列原理,基于目前空时滤波的抗干扰技术,采用无约束空时自适应抗干扰算法,对均匀圆形阵列的抗干扰性能进行分析仿真。该算法不需要预先知道卫星的位置信息、导航接收机位置信息以及接收天线姿态信息,降低了采样矩阵求逆(SMI)算法的运算复杂度。在MATLAB中对窄带干扰和宽带干扰在不同情况下的干扰抑制效果进行仿真,仿真结果表明,无约束空时自适应抗干扰算法能够有效地判定干扰信号的波达方向,均匀圆形阵列不仅可以准确估计出干扰信号的方位角和俯仰角,且刚干扰效果最好;并在干扰方向上产生一定深度的零陷,干扰功率越强,产生的零陷越深。与LCMV算法相比,该算法能更好地改善系统输出信干比。

一种基于角度-多普勒补偿的均匀圆形天线机载雷达杂波抑制方法

采用均匀圆形相控阵天线的机载雷达杂波分布随距离变化而变化,各距离单元的杂波不再满足独立同分布的条件,造成统计型空时自适应处理(STAP)器性能下降。基于此,本文建立了均匀圆形天线机载雷达模型,对其杂波分布进行了分析,得出了空间角随阵元数非线性变化的特性造成其杂波距离维分布非均匀的结论。研究了一种均匀圆形天线机载雷达杂波抑制方法,该方法先通过修正的角度-多普勒补偿(MADC)预处理消除在杂波谱中心处的非均匀,再利用基于导数更新(DBU)技术进一步减小在其他方位杂波的非均匀程度。仿真结果表明了该方法的有效性。

一种双频带涡旋电磁波微带天线

本文提出了一种能工作于X波段的双频带涡旋电磁波微带天线.该天线由双面均匀圆形天线阵列Uniform Circular Antenna Array(UCA)和相移馈电网络组成.通过旋转下层的UCA,使之与上层UCA夹角为α,可以实现双频带工作模式;另外,相移馈电网络使天线相邻贴片单元的相位在两个频率处均依次改变-45°,实现了双频带涡旋电磁波辐射.实验结果表明:天线双频带工作带宽为0.85 GHz(7.8~8.65GHz)和0.35GHz(9.9~10.25GHz),且实现了模态数l=+2的双频涡旋电磁波.