时间调制阵列理论与应用研究

摘要

有源天线阵列被广泛应用于雷达、通信、导航以及射电天文学系统中，其优点包括波束扫描方式灵活、可实现多波束以及超低副瓣特性等。有源天线阵列通过幅度和相位加权实现阵列的方向图综合，以及波束的捷变。按照加权方式的不同，传统的有源天线阵列可分为模拟天线阵列和数字天线阵列。其中模拟天线阵列以有源相控阵天线为代表，其特征是在射频链路上使用可变增益放大器和相移器件来实现幅度和相位加权。数字天线阵列，又称软件天线阵列，则是通过数字信号处理器在数字域内完成各单元通道的复数加权。为获得更好的性能，有源天线阵列通常需要成千上万个单元。这样，对于无论是模拟天线阵列还是数字天线阵列，其系统复杂度和成本都大大提高。因此，开发低系统复杂度、低成本的有源天线阵列有着广泛的需求和重要的意义。在此背景下，时间调制阵列，作为一种低复杂度的有源天线阵列，在近年来引起研究者的极大关注。时间调制阵列，又称四维阵列，是一种新型的阵列天线结构。其特征是在传统的天线阵列的射频前端增加周期性调制的射频开关，通过对各射频开关进行周期性调制来实现所需的阵列方向图。
　　由于周期调制，时间调制阵列会产生基波分量和各次谐波分量。其中，基波分量可以应用于方向图综合，谐波分量则可应用于波束形成。在利用基波分量进行方向图综合时，时间调制阵列虽然具有结构简单、控制系统复杂度低等优点，其缺点也不容忽视。单频的正弦信号在经过周期性的时间调制后，会同时产生基波分量和谐波分量。而谐波分量会形成边带辐射，对其他的电子系统造成干扰，因此需要对其进行抑制。本文在总结现有的边带辐射抑制方法的基础上，提出了基于非均匀周期调制的时间调制阵列边带辐射抑制方法。相对于已有的利用各种进化类算法的边带抑制方法，该方法的计算复杂度较低。在利用时间调制阵列进行波束形成时，洽是利用基波方向图综合中不需要的谐波分量。然而，在利用传统的时间调制阵列的谐波分量进行波束形成时，其能量使用效率较低。因此需要对传统的时间调制阵列进行改进，其目标是在不至于明显增加硬件复杂度的条件下，提高能量的使用效率。本文提出了一种基于类单边带调制模块的改进型时间调制阵列，将传统的时间调制阵列的辐射能量提高了约9dB，整个链路的能量损失的理想值减少到约1dB。
　　时间调制阵列的测向特性已经受到研究者的关注。在已公开的文献中，研究者注意到信号的入射方向与谐波分量的方向图存在定性关系，但并未给出定量的计算关系式。本文推导了信号的入射方向与基波分量、第一次谐波分量之间的数学关系式，并通过数值仿真和外场实验验证了时间调制阵列的测向能力。通过分析谐波分量之间的定量的数学关系，本文将时间调制的思想应用到有源阵列的并行校准中，能在不使用辅助阵元的条件下实现有源阵列的快速并行校准。
　　时间调制阵列的理论与应用研究方兴未艾，其在未来移动通信中的应用正引起研究者的广泛兴趣。空分多址技术能有效的提高频谱利用效率，本文探讨了利用时间调制阵列来实现空分多址的技术方式。针对当前高速铁路4G移动通信中的多普勒效应问题，本文将时间调制阵列应用到多普勒频移补偿中，在射频前端即通过硬件电路对多普勒频移进行补偿。该方法能有效的抵消由于高速运动产生的多普勒频移的影响，降低系统的基带信号处理的复杂度。
　　综上，本文首先研究了时间调制阵列的边带抑制方法，然后对基本的时间调制阵列进行改进以提高其谐波能量使用效率，再将时间调制的思想应用于阵列测向以及有源阵列的并行校准中，然后探讨了时间调制阵列在移动通信中的应用，最后总结了全文并提出时间调制阵列的进一步的研究方向。

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第一章 绪论

1.1 时间调制阵列的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要创新点

1.4 本文的组织结构

第二章 时间调制阵列边带抑制方法

2.1 时间调制阵列的基本原理

2.2 时间调制阵列的边带辐射抑制方法

2.3 本章小结

第三章 基于时间调制的谐波波束形成技术

3.1 基于时间调制阵列的谐波波束形成

3.2 基于改进的时间调制阵列的谐波波束形成

3.3 本章小结

第四章 基于时间调制的测向与阵列校准方法

4.1 基于时间调制阵列的测向方法

4.2 基于均匀周期时间调制的阵列校准方法

4.3 基于非均匀周期时间调制的阵列校准方法

4.4 本章小结

第五章 时间调制阵列移动通信中的应用研究

5.1 引言

5.2 基于时间调制阵列的空分多址技术

5.3 时间调制阵列在高铁移动通信中的应用

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 进一步的研究工作

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表和撰写的论文

攻读博士学位期间申请的专利