射电天文30~300 MHz频段稀布阵列关键技术分析与研究

30~300 MHz的甚高频(Very High Frequency,VHF)频段是重要的射电天文波段,该频段观测采用天线阵组阵方式。稀布阵列具有空间分辨率高、副瓣电平低以及造价低等优点,进一步的天线阵综合加权可以对天线阵主瓣波束进行有效赋形,对最大旁瓣副瓣(Maximum Side Lobe)电平和远区栅瓣(Far Side Lobe)电平进行抑制。首先回顾了射电天文甚高频稀布阵列研究发展和现状,以及将会遇到的难点,提出了首先优化最优稀布天线阵元排布,进一步提出融合高性能计算平台+FPGA SOPC的稀布甚高频射电天文阵列信号处理结构体系,在图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)或者云计算平台上完成对天线阵各阵元频点加权参数的计算,然后通过高速总线将计算参数下发到前端的信号处理板中,通过FPGA SOPC完成对加权参数的配发。进一步分析计算了多波束情况下的数据率,可以实现实时的参数配置。本文成果为下一步大规模甚高频天线阵架设提供了技术依据。

人工表面等离激元馈电的宽带低旁瓣全角度波束扫描天线

提出了一款人工表面等离激元馈电的宽带全角度低旁瓣波束扫描天线。采用人工表面等离激元馈电卵圆形辐射贴片阵列和对跖Vivaldi辐射器,在快波区激发高次谐波实现漏波辐射,在慢波区呈现低损耗能量传输效果激励对跖Vivaldi的端射模式,从而实现了在4~12 GHz(相对带宽100%)内全角度(180°)波束扫描。进一步,通过对卵圆形辐射贴片进行锥形排布降低了天线在漏波辐射时的旁瓣水平。仿真结果表明,所设计的全角度波束扫描天线能够在4~12 GHz内旁瓣水平均在-10 dB以下。该天线在雷达探测、目标跟踪等应用场景具有重要应用潜力。

高增益低副瓣圆极化微带天线阵的研制

以工作频率为4.14 GHz,5单元圆极化微带天线阵为研究对象,研制出了与馈电网络为一体、具有圆极化特性的微带天线阵。利用不等幅馈电网络实现了天线方向图的低副瓣,采用枝节匹配技术解决了圆极化微带天线阵与馈电网络为一体的工程实现较为困难这一技术难题。在此基础上,研制了天线阵实验样机,并对实验样机进行了测量,实验结果表明;该天线阵具有良好的圆极化特性和低副瓣特性,进而说明了该方法是有效可行的。

大轴比椭圆波束天线过渡函数的研究

研究了不同的过渡函数对椭圆波束天线增益、旁瓣、效率和主反射面轮廓等性能的影响。根据工程应用对低旁瓣和高效率的要求,选取合适的过渡函数,给出了轴比为2∶1的椭圆波束天线实例。由仿真结果表明,可以达到高效率、低旁瓣、低剖面的性能。

一种基于模式搜索算法的基阵波束优化方法

波束形成在声纳/雷达信号处理中占有重要的地位,而设计出满足要求的波束形状是声纳/雷达信号空间处理的重要内容。自适应波束形成算法理论上可以获得最优的工作性能,但其计算复杂度高、宽容性差等缺点严重地限制了这些算法的实际应用。本文采用基于模式搜索的波束优化算法,获得了与实际接收数据无关的、类似于窗函数的幅度权系数。与加窗波束形成算法相比,这种方法可以在保证主瓣宽度不展宽的情况下,有效降低旁瓣级,并且,这种方法对基阵的几何形状没有任何限制。

台阶反射面实现双频多波束天线收发等化的研究

双频多波束天线系统由于收发频段共用同一反射面,覆盖区内收发波束大小不一致。为了实现覆盖区内收发等波束,文章提出了一种新型的台阶反射面天线。通过对天线台阶高度的选取和台阶宽度的优化,可以使接收频率处每个台阶跳跃点与中心区在反射面等效口径处的相位相差180°,从而降低天线的口径效率,减小接收频率处反射面的电尺寸,最终实现了收发波束大小一致。为了进一步降低天线的副瓣电平,文章在接收频率处引入了馈源第一副瓣来照射反射面的台阶圆环,通过这一改进天线仍能实现收发等波束且获得了更低的副瓣电平。

赋形双偏置天线口面场分布函数研究

针对目前关于双偏置反射面天线的无遮挡形式口面场分布函数的研究较少的情况,研究了赋形双偏置天线的几何参数变化对口面场分布的影响,进而深入分析了口面场分布对辐射方向图的影响。针对平方公里阵天线(Square Kilometer Array,SKA)高效率低旁瓣的要求,提出了一种改进型余弦口面场分布函数。计算结果表明,天线第一旁瓣电平低于-20 dB,天线效率高于85%。

随机幅相误差对线阵方向图最高副瓣电平的影响研究

副瓣电平是天线的重要技术指标之一,较低的副瓣电平可以减弱杂波影响、提高雷达的抗干扰能力。但在实际设计天线的过程中,不可避免的会引入随机误差,使得阵列的口径分布发生变化,直接影响天线阵的性能。随机误差的引入最终都可以表现为阵列各个单元的幅度误差和相位误差,故需要分析随机幅相误差对阵列天线副瓣电平的影响。本文以此出发,应用统计学理论,得到计入随机幅相误差后阵列副瓣区副瓣电平的统计特性,并由此分析在整个副瓣区域内最高副瓣电平的统计特性。结合计算机仿真,证明分析计算结果的正确性。

幅相独立调控超表面实现低副瓣透射阵天线

低副瓣电平能提升天线的抗干扰能力及信号获取能力,而基于超表面技术所设计的透射阵天线具有馈电简单、损耗低、剖面低和无遮挡等应用优势,提出了一种工作于线极化模式下的幅相独立调控超表面,可实现对转极化透射波幅度和相位的独立调控。在此基础上,利用该超表面设计了一款低剖面、低副瓣的透射阵天线。全波仿真分析和实验测试结果吻合,验证了该透射阵天线的良好性能。

应用于24GHz物位雷达的微带阵列天线设计

为了提高24 GHz物位雷达系统的精度和抗干扰能力,设计并制作了一款高增益、低副瓣、易集成的微带阵列天线。为了抑制天线的副瓣电平,该天线各阵元间的电流采用同相不等幅分布设计;同时,采用两种不同馈线的单元和串并联混合馈电网络,降低了馈电网络的设计难度。实测结果表明,该阵列天线的带宽为690 MHz(23.77~24.46 GHz),最大增益达到20.1 dBi,E面和H面的副瓣电平分别为-20.7 dB和-19.3 dB。该阵列天线结构紧凑、可靠性高,可用于24 GHz物位雷达系统。

基于子阵幅度加权的低副瓣算法研究

文章研究了一种在均匀邻接子阵划分条件下的副瓣降低算法,即通过在子阵级和单元级都进行加权,并以最小二乘法求单元级的近似权值,使得两者的乘积逼近Taylor权值。在此基础上,利用余弦分布代替Taylor分布作为权值可使副瓣电平降到更低的水平。数字仿真结果表明该算法的有效性。

一种小型船舶雷达天线的设计与仿真

抛物面型或波导裂缝型雷达天线相对于中小渔船来说,体积大、较笨重、成本高。文章设计船用的雷达微带圆极化天线,中心频率9.4GHz,采用20单元微带天线阵来提高增益;通过蜿蜒型阻抗变换器的优化,降低了副瓣电平。文章设计的天线具有波束窄、体积小、重量轻、易加工、成本低等优点,适合于中小渔船雷达系统中使用。

不同增益单元构造的低副瓣稀布阵列优化

利用不同长度、不同增益的介质天线构成稀布阵列。针对有阵列孔径、阵元数目、最小间距约束的稀布阵列综合问题,采用线性候选机制的果蝇算法(LGMS-FOA)。以改善峰值副瓣电平为目标函数,对阵元分布位置以及介质棒长度进行快速优化,同时实现扫描角在±15°内较好的扫描特性。