阵列天线互耦的自适应补偿与FPGA实现

摘要

与传统的单个天线相比，阵列天线具有灵活的波束控制，高增益，强抗干扰能力，因此阵列天线在通信、雷达、电子对抗、声纳等领域都具有广泛的应用。然而阵列天线也可能带来旁瓣电平过大，互耦影响等问题，尤其是互耦效应，是阵列天线实际设计中的一个关键性问题，其对阵列天线系统的性能起着决定性作用，使阵列天线的性能与理想情况下预期的性能指标具有较大差异。因此在阵列天线的设计中，必须考虑抑制或补偿单元在阵列中的互耦效应。本文以此为出发点，采用矩量法(MOM)对阵列天线的互耦效应进行分析，并应用基于最小均方准则的自适应算法来进行补偿，在FPGA中实现了LMS算法。本文主要的研究工作有以下几个方面:
　　(1)由微带天线的辐射特性入手，分析了微带阵列天线的互耦效应，介绍了互耦效应的分析方法，并研究了互耦效应对阵列天线性能的影响。
　　(2)阐述了阵列天线的自适应算法，详细介绍了基于最小均方误差的LMS算法，并基于LMS算法分析研究了阵列天线的互耦补偿方法。
　　(3)根据前面研究的基于LMS算法的阵列天线互耦补偿方法，设计实现了基于FPGA的LMS算法系统，详细给出了各子模块及顶层模块设计流程和原理图的设计，并进行了仿真分析。
　　(4)基于五元微带贴片阵列天线，进行了LMS算法补偿互耦的仿真分析，并结合PC端的MATLAB软件环境分析了补偿互耦后的天线方向图。
　　在本课题中，以微带阵列天线为参考模型，基于FPGA设计了实现阵列天线互耦补偿的LMS算法系统，并在MATLAB环境中对补偿效果进行了分析，根据补偿互耦后的方向图可知，该补偿方法可以有效的减少互耦效应带来的阵列天线性能降低，使各性能指标最大程度的接近理想值。

目录

摘要

图表清单

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及现状

1．2 可编程逻辑器件的发展

1．3 硬件描述语言Verilog HDL

1．4 论文主要研究内容与章节安排

第二章 微带天线互耦分析

2．1 微带天线概述

2．1．1 微带天线定义和分类

2．1．2 微带天线的分析方法

2．1．2 微带天线的辐射特性

2．1．4 阵列天线的辐射特性

2．2 微带阵列天线的互耦效应

2．2．1 阵列天线的互耦

2．2．2 互耦对阵列天线性能的影响

2．2．3 互耦效应的分析方法

2．2．4 互耦补偿方法研究

2．3 本章小结

第三章 阵列天线的自适应算法研究

3．1 自适应信号处理算法概述

3．1．1 自适应算法的实现

3．1．2 自适应算法的准则

3．1．3 自适应算法的选取

3．2 LMS算法研究

3．2．1 LMS算法概述

3．2．2 LMS算法性能分析

3．2．3 影响LMS算法的因素

3．3 基于LMS算法的阵列天线互耦补偿

3．4 本章小结

第四章 LMS算法的FPGA设计及实现

4．1 FPGA的开发环境及设计流程

4．1．1 FPGA概述

4．1．2 Altera FPGA集成开发环境及设计流程

4．2 设计说明

4．2．1 正负数的处理

4．2．2 定点数制的确定

4．2．3 LMS算法的流水线处理

4．3 LMS算法的FPGA设计

4．3．1 控制模块设计

4．3．2 存储模块设计

4．3．3 计算模块设计

4．3．4 系统综合仿真

4．4 本章小结

第五章 系统仿真与测试

5．1 LMS算法仿真分析

5．2 微带阵列天线互耦补偿仿真分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 后续工作与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果及发表的学术论文