空时四维天线阵辐射控制机理与信号处理研究

摘要

阵列天线是现代无线电子系统的重要组成部分，是无线通信和雷达的关键技术，对系统的整体性能起着决定性的作用。从电磁波传播的物理本质着手，从新型阵列天线的辐射控制机理与信号处理方法出发，是新时代无线电子系统发展的新方向。本论文所研究的空时四维天线阵是一种将“时间”视为阵列天线设计第四维自由度的新型天线阵列。一方面，它可以通过射频开关器件进行时间调制，实现天线阵元在中心频率的精确等效幅度加权和边带的精确等效幅度相位加权，从而对天线阵列的辐射实现精准控制。利用“时间”自由度增加了设计灵活性，显著提高了辐射控制能力，大大简化了馈电网络的设计。另一方面，相对于传统天线阵，四维天线阵辐射信号经时间调制后具有独特的方向调制特性，即不同方向上传输信号波形不同，利用这一性质，四维天线阵在新一代无线通信系统中特别是保密通信和射频隐身方面有着巨大的应用前景。 本文的工作围绕四维天线阵的辐射机理展开研究，力求回答四维天线阵理论与原理性验证方面仍然存在的具体问题；解决时间自由度在提升设计效果的同时，为其辐射控制带来的挑战；力求分析新变量的引入给无线电子系统设计带来的系统层面挑战；力求缩小基础研究和系统应用之间的差距。 本学位论文构建了“经时间调制后信号”的理论模型，提出了多时间调制频率的射频开关器件工作模式，抑制了峰值边带电平；提出了联合优化算法，提高了时序优化效率，进一步降低了边带能量损失；研究时间调制对四维天线阵信号传输的影响，分析了四维天线阵传输线性调频信号的特性，为后续的无线电子系统研究提供了理论支撑；搭建了针对四维天线阵辐射方向图实验研究的高效测试平台，为后续的无线电子系统研究提供了验证平台。本文的创新工作概述如下： 一、首次从边带形成的物理本质出发，提出了一种基于多时间调制频率的四维天线阵峰值边带电平抑制办法，并深入分析了四维天线阵的辐射方向图。本文所提出的方法从边带能量累积的物理本质出发，可以在中心频率实现超低副瓣方向图的同时，实现最低的边带辐射能量损失和最低的峰值边带电平。本工作可以帮助相关研究人员理解时间调制的边带辐射机理以及四维天线阵辐射方向图的高效优化设计。 二、提出了四维天线阵传输信号失真情况的计算公式。首次将线性调频信号引入四维天线阵中，在不同控制时序的调制下分析了各个方向辐射的信号波形失真情况，阐明了传输信号带宽、时宽与时间调制频率、控制时序的关系。本工作可以帮助相关研究人员了解四维天线阵的信号传输特性，及四维天线阵在无线电子系统应用中的优势和不足。 三、实验验证了基于四维天线阵的方向调制技术，提出了一种基于遗传算法的改进型控制时序优化算法，专门用于物理层保密通信的保信因子图优化，增强了四维天线阵无失真信号发射角度范围的可重构能力，可以在需要通信的角度范围传输无失真信号，在需要保密的角度范围传输畸变信号。这种技术在物理层无线信号安全传输和射频隐身等应用中具有极高的潜在价值。 综上所述，本文在于整合四维天线阵辐射方向图、辐射信号的理论模型，阐述控制时序如何控制其辐射特性，进而协调四维天线阵的控制时序设计与信号处理方法，最终提升无线电子系统性能。

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