基于截球面可重构阵列的共形天线技术研究

To satisfy the requirements of Space-Air-Ground integrated information network and achieve the full range in the air domain and mobile communications, there is the higher requirements to transceiver antennas which have the advantages of miniaturization, broadband, high-gain, as well as semi-airspace radiation characteristics. The design of a conformal microstrip array antenna for truncated spherical is presented. The array factor of truncated spherical antenna array is derived using the method of coordinate transformation. The directional function for the conformal array antenna for the truncated spherical is deriving. The sub-beams superimposed and the radiation of semi-airspace is achieved by using the reconfigurable sub-array technology. Beam forming is done for the reconfigurable arrays by particle swarm optimization.The important parameters such as array element, arrangement,the mutual coupling and the gain of Spherical antenna are simulated and analyzed. The research results will provide an available suggestion to modeling of complex conformal array and reference to conformal antenna array in future. And it will lay a good foundation for future communication systems.

为满足移动通信中实现半空域内（俯仰90度、全方位360度）辐射的需求，则对收发天线提出较高的要求，天线应具有小型化、宽带、高增益以及半空域信号的辐射的特性。本课题采用截球面共形微带阵列天线以满足上述需求。针对截球面共形微带阵列天线，采用坐标变换的方法对截球面天线阵列的阵因子进行理论分析，对带有微带天线单元的截球面阵列天线的方向性函数进行推导及分析；利用可重构子阵技术，实现子波束叠加以获得半空域辐射；采用粒子群算法对可重构子阵进行波束成形；并对球面阵的阵元、布阵、阵元间的极化和互耦、增益等重要参数进行仿真、分析和研究，所采用的分析方法和获得的结果应对今后复杂的共形阵列的建模问题提供依据，为未来的共形阵列天线技术提供良好的支撑，并为相关通信系统的发展奠定良好的基础。

随着信息技术的发展，“空天地一体化”信息系统在近几年开始发展并成为当今研究热点。空中平台信息系统以及卫星信息系统是该系统不可或缺的一部分。为了满足空中平台信息系统以及卫星信息系统的需求，实现半空间全方位的通信电波覆盖，本项目研究了不同共形载体下的共形阵列天线，包括截球面共形阵、锥台共形阵、圆柱共形阵及半球圆柱混合共形阵。相较于传统平面阵列天线通常只能覆盖俯仰角±60°的空间范围，共形阵列天线具有半空间全方位覆盖和可重构子阵波束扫描等优势。.本项目完成了共形阵列布阵设计、子阵划分、DOA估计和波束形成的研究。采用可重构子阵技术，依据阵元贡献度和增益需求等准则进行子阵划分和优化，基于子空间划分思想，采用多波束切换技术以及自适应智能天线技术，实现半空间波束覆盖; 完成了共形阵低信噪比下DOA估计算法，采用子阵分割技术，MUSIC算法及其改进算法、粒子群算法等，实现了低信噪比、低快拍数、高精度的DOA估计。研究共形阵波束形成算法，采用自适应粒子群遗传混合算法（AHPSOGA）、自适应量子粒子群算法（AQPSO）、最小均方误差算法（LMS）以及采样矩阵求逆算法（SMI）等，实现在干扰信号来波方向形成零陷，有用信号来波方向形成主波束，同时抑制副瓣电平。研究共形阵极化补偿问题，采用旋转投影法以及相位补偿法，对共形阵列进行极化补偿，降低了共形阵列的交叉极化，子阵的交叉极化电平小于-15dB。.本项目最终完成了共形截球面阵、锥台共形阵及圆柱共形阵的设计、实物加工、天线性能测试和波束形成测试，以及大规模卫星通信半球圆柱混合共形阵列的布阵设计、子阵划分、极化补偿、DOA估计和波束形成。同时对共形阵列天线进行收发联调测试，实现了发射波束与来波方向对准通信，误差在±2°内，实测结果表明所设计共形阵列天线达到了设计要求。本项目成功研制了不同共形载体不同需求下的共形阵列天线，为自适应智能共形阵列天线设计提供理论与技术的支持，为我国2050年全面进入信息化社会的目标添砖加瓦。