电小超分辨仿生天线技术研究

摘要

天线阵是一种具有高定向性的天线系统，一直是探测定位和天线设计领域的重要研究课题。受到电磁波波长限制，天线阵的成本很高而且尺寸很大，限制了其在一些低成本民用探测定位系统中的应用。而电小天线阵得益于其较小的尺寸，能够应用在一些对空间限制要求较高的民用移动系统中，因此，弥补电小天线阵天生的辐射效率低和角度分辨率差等缺陷已经成为一个活跃且富有价值的研究方向，也将在许多实用领域得到广泛的应用。针对电小天线阵的缺陷，可以另辟蹊径在自然界中某些动物寻找解决方案。生物学家发现某些小昆虫虽然听觉器官之间的间距极小，但是却出乎意料的拥有很强的定向听觉能力。经过进一步研究发现，昆虫听觉器官之间存在某种耦合机制，放大了接收到的声波信号间极小的相位差，从而实现超分辨定向听觉。而仿生天线就是参考昆虫耦合听觉器官进而提高天线阵分辨率的一种设计方法。 本文首先介绍了天线阵的工作原理，对电小天线阵弱定向特性和互耦进行了分析，同时也对天线阵列的信号处理技术进行了简要的分析。着重分析和推导了制约仿生天线阵相位差放大效果的因素，给出了相位差放大因子与天线阵内互耦的关系，提出了实现任意相位差放大倍数的仿生天线阵设计方法。讨论了将仿生天线阵理论应用在多元电小线阵的可行性。并基于仿生天线阵的相位差放大，分析了电小仿生天线阵在波达角定位方面的动态扩展阵元间距的特性。 基于仿生天线阵的原理，设计了仿生天线阵无源耦合网络，仿真结果与理论推导的相位差放大因子上界十分一致，并在仿真中验证了通过衰减功率实现更大的相位差放大因子的思路。并通过实验验证了无源耦合网络设计的正确性。 仿生天线阵有源耦合网络弥补了无源耦合网络的缺陷，实现了高相位差放大因子与噪声性能的兼顾，通过放大器的引入抑制后端耦合电路的衰减带来的信噪比损失，设计了对应的有源耦合网络，分析了其性能，并通过实验验证了有源耦合网络能得到比无源耦合网络更优秀的性能。 最后对仿生天线的研究工作进行总结，并展望未来的研究方向。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电小天线阵的互耦

1.2.2 外部多端口网络

1.2.3 昆虫的超分辨听觉

1.2.4 电小超分辨仿生天线阵

1.3 本文工作和章节安排

第二章 天线阵角度分辨与电小超分辨仿生天线阵原理

2.1 天线阵基本原理

2.1.1 天线阵的阵列因子

2.1.2 天线阵的定向性

2.1.3 天线阵的互耦

2.2 天线阵的空间谱估计测向

2.2.1 空间谱估计基本原理

2.2.2 分辨率

2.2.3 谱估计的时空等效性

2.3 仿生天线阵原理

2.3.1 天线的等效电路模型

2.3.2 偶模与奇模电路

2.3.3 相位差放大因子

2.3.4 耦合匹配

2.3.5 电小多元仿生天线阵

2.3.6 电小仿生天线阵的阵元间距扩展

2.4 本章小结

第三章 电小仿生天线阵无源耦合网络设计与测试

3.1 电小仿生天线阵设计流程图

3.2 仿生天线阵的电路仿真

3.2.1 待测电小天线阵介绍

3.2.2 端口阻抗测试方法

3.2.3 散射参数的测量和阻抗矩阵的计算

3.2.4 ADS的优化仿真

3.3 分布参数耦合网络电路设计

3.3.1 Richards变换与Kuroda规则

3.3.2 分布参数耦合网络

3.4 集总参数耦合网络电路

3.4.1 集总参数耦合网络电路设计

3.4.2 集总参数耦合网络电路测试

3.5 本章小结

第四章 电小仿生天线阵有源耦合网络设计与测试

4.1 无源耦合网络的缺陷

4.2 放大器对天线阵阻抗特性的改变

4.3 加入放大器的仿生天线阵性能

4.4 有源耦合网络的噪声性能分析

4.5 有源耦合网络的设计与测试

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果