多目标数字相控阵天线中波束合成及阵列校正技术研究

摘要

随着我国航空航天技术的发展和国防建设的需求，多目标相控阵天线技术作为阵列天线技术的重要内容，已逐步得到发展，其应用已扩展到卫星通信、机间数据链通信等领域。
　　多波束天线技术，其处理的信号在较宽的频带内包含了多个子带，每个子带对应一个波束，其所占用的总带宽远大于传统的单波束天线。在这样的情况下，实现多目标波束合成，需要对信道化方法进行改进。下变频是信道化的主要工作，传统的数字下变频技术通常只能针对单个波束做处理，无法处理这种含有多个目标的宽带信号。
　　阵列通道总存在幅相误差，使得通道间幅相特性不一致，即通道失配。这种幅相特性不一致，严重时会使整个阵列性能急剧恶化。因此，波束合成前需要对阵列幅相误差做校正处理。
　　针对以上问题，本文主要内容包括：
　　（1）基于平面阵模型，分析了相控阵基本原理，推导了相控阵方向图、阵列增益等表达式。
　　（2）研究了宽带数字下变频技术，重点讨论最小公倍数结构和混频器后置结构，将实信号正交变换和下变频结合在一起处理，既降低了系统复杂度，也降低了FPGA的资源消耗和工作速率。
　　（3）研究了多目标数字相控阵天线技术。将多相滤波、混频器后置结构等高速数据处理方法创造性的应用到多目标宽带数字相控阵天线中。设计了一个8×8的64阵元多目标数字相控阵天线，将三倍抽取应用于多相结构的低通滤波器，实现了由三个波束组成的数字中频信号的下变频，并通过加权得到了波束合成结果，提高了阵列输出信噪比。利用Xilinx软件平台Vivado完成了多目标数字相控阵天线接收模块算法的硬件语言编写，使用开发软件自带仿真器进行了行为级仿真。
　　（4）针对阵列天线的通道幅相特性不一致问题，分析了基于最小二乘拟合的传统频域通道均衡方法，其滤波器系数为复数，并且均衡性能差。针对这个问题，提出了一种仅对信号带宽内的幅相误差进行拟合的改进方法，其获得的校正滤波器为实系数。通过增加一个前置带通滤波器，保证带外噪声控制在可接受范围内。最后，通过仿真分析了两种方法的正确性和可行性。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的内容安排

2 相控阵天线基本原理

2.1 天线的基本参数

2.2 相控阵天线的信号模型

2.3 相控阵天线指标

2.4 本章小结

3 多目标数字相控阵天线技术

3.1 带通模拟信号采样定理

3.2 采样率变换的基本理论

3.3 滤波器的多相结构

3.4 宽带数字下变频技术

3.5 多目标数字相控阵系统设计

3.6 系统仿真分析与FPGA仿真

3.7 本章小结

4 阵列校正技术

4.1 阵列误差来源分析

4.2 宽带通道校正原理

4.3 传统校正滤波器系数求解及其仿真分析

4.4 频域通道均衡改进算法及仿真分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B 作者在攻读硕士学位期间申请的专利

C 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

声明