球面共形阵列天线的波束形成技术研究与实现

摘要

信息化进程的迅猛发展促进了移动中稳定通信技术的进展,“动中通”无线通信系统被广泛应用于各种军事和民用领域，成为当今研究的热点和尖端技术。波束形成技术是提高“动中通”无线通信系统性能的关键技术之一。为了满足“动中通”空中平台通信系统能够实现全方位通信的需求，本文针对覆盖范围为俯仰角0°~90°及方位角0°~360°的球面共形阵列天线，研究了波束综合及波束形成的实现问题，主要的研究内容和工作成果如下：
　　1.设计了一种圆极化球面共形阵列天线的波束综合算法。首先介绍了球面共形阵列天线，并对球面阵进行了子阵的划分。然后采用自适应蚁群算法设计了一种适用于圆极化球面共形阵列天线的波束综合算法。为了提高自适应蚁群算法的仿真精度，算法的优化数据采用实际球面阵各阵元的远场方向图数据，在MATLAB中对子阵进行波束综合，得到子阵方向图和各阵元的幅相权值。仿真结果表明，各子阵波束很好的满足了其波束覆盖范围要求。同时将自适应蚁群算法综合出的子阵各阵元的幅相加权系数代入到CST中进行仿真分析，得到子阵的加权方向图。CST仿真和MATLAB综合方向图对比结果表明，经过算法综合后的方向图与 CST仿真结果基本一致，说明利用自适应蚁群优化算法对球面阵进行波束综合是可行的。
　　2.设计并实现了一种球面共形阵列天线的波束形成系统。设计了球面阵波束形成的硬件实现方案，并根据所设计的方案利用FPGA、T/R组件、球面共形阵列天线等完成了球面阵波束形成的硬件实现。同时在Quartus II中分别对各类子阵阵元所对应的信号进行功能仿真，并在D/A的输出端口分别对各路信号进行测试，结果表明，波束形成网络产生的多路信号的频率、幅度和相位值与目标波形的基本一致。
　　3.测试并分析了球面共形阵列天线的波束形成系统。分别对球面阵四类子阵的主波束俯仰角?和方位角?进行测试，通过测量和计算得到四类子阵的实际主波束方向。测试结果表明，各类子阵的主波束指向实测值与理论值基本吻合，本文设计的球面阵波束形成系统的硬件实现方案能够满足球面阵的半空间波束覆盖要求，达到预期目的。

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第一章 绪论

§1.1 研究背景与意义

§1.2 国内外研究现状

§1.3 本文研究的主要工作及结构安排

第二章 阵列天线波束形成的基本理论

§2.1 任意阵列方向图

§2.2 球面共形阵列方向图

§2.3 波束形成的基本原理与方法

§2.4 本章小结

第三章 基于自适应蚁群算法的球面阵波束形成

§3.1 概述

§3.2 球面共形阵的介绍与子阵划分

§3.3 基于自适应蚁群算法的球面阵子阵波束综合

§3.4自适应蚁群算法在子阵综合中的应用

§3.5 本章小结

第四章 球面阵波束形成的硬件实现及测试

§4.1 系统硬件设计基础

§4.2 球面阵波束形成系统的硬件设计

§4.3 球面阵波束形成系统的硬件实现与仿真分析

§4.4 球面阵波束形成系统的测试及结果分析

§4.5 本章小结

第五章 结束语

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果