自适应阵列天线互耦校准方法的研究

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阵列天线广泛应用于雷达、通信、导航、电子对抗等众多领域。然而,随着小型化及宽带化需求的增加,互耦对阵列性能的影响不容忽略。由于互耦的影响,可能导致雷达分辨力降低、测向误差增大、干扰零陷抬高以及波束指向偏离等不良后果。为了提高阵列天线的性能并适应更广泛的应用,研究互耦校准方法具有重要意义。本文针对以上研究背景开展了阵列天线互耦校准方法的研究。本文详细介绍了阵列互耦产生的机理及分析方法,总结了已有方法的优缺点,提出了新的互耦校准方法,并在此基础上提出了宽带阵列互耦校准方法。论文的主要工作包括以下几个方面:1.在分析了互耦机理及已有互耦校准方法的基础上,从电磁分析的角度提出了新的互耦校准方法——单元方向图重建法。该方法利用单元孤立方向图和单元阵中方向图的差异,建立互耦矩阵的求解方程,并采用最小二乘法实现互耦校准矩阵的求解。在此基础上,进一步推导出阵列单元形式一致的简化单元方向图重建法表达式。2.针对全向天线及定向天线阵列开展了互耦校准的研究,将提出的方法应用于阵列天线的互耦校准。实现了对不同阵列单元、不同阵列形式的互耦校准研究。具体研究了全向、定向及线极化、圆极化等天线单元形式。研究的阵列形式包括线阵、圆阵及共形阵等。并将单元方向图重建法运用到一维和二维DOA估计算法中,实现了对阵列接收信号的校准,仿真验证了所提出的互耦校准方法的有效性。3.在单元方向图重建法的基础上,结合自校正方法的思想,提出了根据来波信号方向自适应的选择拟合区域对信号进行互耦校准的方法。该方法与MUSIC算法相结合,通过交替迭代实现了宽角度DOA估计。在此基础上,将提出的方法用于一维线阵、二维L形阵列的互耦校准,实现了一维和二维DOA的精确估计。4.提出了采用插值法实现宽带阵列互耦校准的方法。针对宽带信号耦合矩阵参数与频率的关系曲线,基于单元方向图重建法,提出采用保形分段Hermite插值法实现宽带互耦校准。仿真设计了宽带对称振子并用其构成八元均匀圆阵,DOA效果验证了所提出方法的有效性。5.研究了互耦对MIMO系统信道容量的影响。利用加载枝节和改变地板缝隙的方法分别设计了两款小型化多频缝隙天线,并用其构成MIMO阵列。利用单元方向图重建法实现对MIMO阵列天线互耦矩阵的求解,针对瑞利衰落信道开展互耦对信道容量影响的研究。6.搭建了系统实验平台,利用DOA估计实验完成对单元方向图重建法的验证。该实验平台包括天线阵列、射频模块和数字信号处理模块等。针对单极子天线阵列及微带天线阵列,进行DOA估计实验,分析对比了不同情况下的DOA估计结果,验证了单元方向图重建法的有效性和实用性。
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