大规模阵列的快速综合方法研究

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阵列天线在军事、航天、航空、医学等领域受到广泛应用,随着科技的发展,人们对阵列辐射特性的要求也越来越高,大规模阵列由于其高增益、高波束分辨率等特性在5G通信等领域起到重要作用。迭代傅里叶变换法(IFT)在目前阵列技术中被验证能够高效地综合大型阵列,但是该算法局限应用于阵元布局在矩形栅格情况下的阵列。而基于IFT的稀疏阵列综合由于依赖大量的随机初始激励,综合效率较低,在间距远小于半波长的情况下又会受到不可视区域数据的影响,算法鲁棒性较差。本文针对上述情况,提出了迭代Chirp-z算法和迭代分段快速卷积法,打破了阵列布局的局限性,使得圆环阵列甚至圆柱阵列的快速综合得以实现。并且改进了算法在稀疏阵列综合中的不足,提高了综合效率,并拓展应用到最小间距可控的大规模阵列中。本文首先介绍了阵元布局在矩形栅格情况下的阵列综合算法,包括传统IFT算法和提出的迭代Chirp-z算法。传统的IFT算法受到阵元间距的影响,在综合过程中需要对阵列方向图进行补点和截断,而提出的迭代Chirp-z则由于其灵活的螺旋式求解特点,克服了上述不足,特别是在综合间距远小于半波长的情况下,迭代Chirp-z优势突出。考虑阵元布局在圆环情况下的阵列,本文提出迭代分段快速卷积法。利用圆环阵列方向图公式和快速卷积表达式的一致性,加速圆环阵列的计算,并且将该方法结合FFT拓展到了可分离圆柱阵列的快速计算中,并且运用多个不同的综合实例验证了该算法的有效性。最后针对IFT在稀疏阵列综合中的不足,提出改进的迭代FFT和改进的迭代Chirp-z算法,通过大量试验对比,验证改进FFIT算法不仅具有更高的综合效率,而且在相同的约束条件下可以得到更低的副瓣和更窄的波束,并且改进迭代Chirp-z算法还能有效地控制阵元的最小间距,具有较强的实用价值。
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