【摘要】：數(shù)字相控陣列的發(fā)射波束和接收波束都采用數(shù)字波束形成技術(shù),是當(dāng)今雷達(dá)發(fā)展的重要方向。數(shù)字相控陣列在基帶利用數(shù)字信號處理技術(shù)合成所需波束,具有高精度、多波束和低功耗等特點,能夠提供遠(yuǎn)超傳統(tǒng)雷達(dá)的空間探測性能。但是數(shù)字相控陣列包含數(shù)量龐大的有源收發(fā)通道,每個收發(fā)通道集成許多復(fù)雜的有源器件,目前的技術(shù)無法保證相同類型的有源器件之間的性能一致,最終導(dǎo)致收發(fā)通道之間的電性能差異,嚴(yán)重惡化數(shù)字相控陣列的探測性能。此外,數(shù)字相控陣列的所有子陣需要共享同一個參考時鐘以實現(xiàn)精確的波束控制。參考時鐘往往通過同軸線或者光纖傳輸?shù)讲煌雨嚿?在傳輸過程中會引入額外的相位不一致性,導(dǎo)致陣列波束指向偏差。因此,數(shù)字相控陣列高度依賴高效率、高精度的校正技術(shù)以保證優(yōu)越的系統(tǒng)性能。本文針對數(shù)字相控陣列校正技術(shù)的三個關(guān)鍵科學(xué)問題展開研究,包括通道間幅相一致性的高精度校正、全陣列的快速校正以及子陣級參考時鐘的相位同步,主要研究內(nèi)容如下:針對數(shù)字相控陣列的收發(fā)通道間幅相不一致性問題,本文提出了一種基于數(shù)控振蕩器(Numerically controlled oscillator,NCO)相位步進(jìn)的通道幅相一致性校正算法。利用天線后端添加的射頻開關(guān)器件,將校正信號輸入待校通道。通過在后端數(shù)字信號處理器(Digital signal processor,DSP)內(nèi)設(shè)置高精度的NCO模塊,從0°到360°逐漸調(diào)節(jié)NCO的相位,將通道信號和NCO信號相乘,得到通道幅相誤差。本文利用計算機(jī)仿真平臺把本算法和其他幾種常用的校正算法進(jìn)行對比,驗證了本算法在低信噪比條件下的有效性。本文搭建了實驗平臺,在8通道的線性陣列上對算法進(jìn)行了實驗驗證,實現(xiàn)了 0.15 dB的幅度校正精度和1°的相位校正精度。該算法的缺點在于依然需要在每個天線后端添加射頻開關(guān),并且天線和射頻開關(guān)的幅相誤差無法校正。其次,針對大型數(shù)字相控陣列需要消耗大量時間完成全部天線校正的問題,本文進(jìn)行了前沿性探索研究,提出了一種基于圖著色理論的陣列天線快速校正算法。本文建立了陣列天線的圖論模型,通過將陣列天線抽象為圖論頂點,相鄰天線之間的互耦效應(yīng)抽象為邊,從而利用圖著色理論來解決校正時隙在陣列天線中的分配問題。在陣列天線全局拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)未知的情況下,利用計算機(jī)仿真平臺在時間維和空間維上對校正算法進(jìn)行了性能驗證。仿真證明,對于常見的六邊形拓?fù)潢嚵�、正方形拓�(fù)潢嚵泻腿切瓮負(fù)潢嚵?本算法能夠?qū)崿F(xiàn)總校正時隙數(shù)依次不大于8、9和16,性能明顯優(yōu)于其他校正算法。該算法的缺點在于需要繁瑣的步驟獲取每個天線的鄰居寄存器和時隙分配表。最后,針對大型數(shù)字相控陣列的子陣級參考時鐘相位不一致問題,本文提出了基于光纖的時鐘相位同步算法。該算法包含基于光纖的鎖相環(huán)電路和時鐘周期性模糊消除電路。基于光纖的鎖相環(huán)電路通過級聯(lián)移相器的鎖相環(huán)電路來解決光纖分發(fā)時鐘的相位周期內(nèi)同步問題。針對鎖相環(huán)無法解決的時鐘周期性模糊效應(yīng),本文設(shè)計了時鐘周期性模糊消除電路,通過分發(fā)脈沖信號,并測量脈沖來回所需要的時鐘周期數(shù),補(bǔ)償分發(fā)時鐘的周期誤差。最后,本文搭建了相應(yīng)的實驗平臺,對10MHz參考時鐘的光纖傳輸進(jìn)行了算法驗證,實現(xiàn)了 0.4°的校正誤差,滿足數(shù)字相控陣列對于子陣級參考時鐘相位一致性的要求。該算法的缺點在于前向鏈路和反饋鏈路上的移相器的電性能一致性會影響算法的同步精度�？傊�,數(shù)字相控陣列需要采用高效、精確的校正算法來保證優(yōu)異的探測性能。本文對數(shù)字相控陣列校正技術(shù)進(jìn)行了深入的研究,針對關(guān)鍵科學(xué)問題,提出了相應(yīng)的算法并從仿真和實驗兩方面進(jìn)行了詳細(xì)驗證,有效提高了數(shù)字相控陣列校正的精度和速度,改善了系統(tǒng)性能。同時,未來在以下方面也有望進(jìn)行更深入的研究:(1)寬帶相控陣列的通道間幅相誤差校正問題。未來需要考慮對通道幅相校正算法進(jìn)行優(yōu)化,使之能夠更加快速地完成寬帶陣列系統(tǒng)的校正,提升校正效率;(2)更加快速的大型陣列校正算法�；趫D著色理論的陣列快速校正算法需要耗費(fèi)大量時間來得到每個天線的鄰居寄存器和時隙分配表。未來需要考慮更加高效率的算法來得到相關(guān)信息,從而降低算法的整體執(zhí)行時間;(3)時鐘同步算法的芯片化和小型化。目前集成電路和半導(dǎo)體工藝日益成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點,因此未來有必要采用集成電路來實現(xiàn)時鐘同步算法,做到小型化、低成本和大規(guī)模應(yīng)用。
【圖文】：

圍課，開期解決一些關(guān)鍵問題，對數(shù)字相控陣列發(fā)揮其潛在的高性能起到究現(xiàn)狀逡逑陣列通道間幅相一致性校正的研究現(xiàn)狀逡逑控陣列雷達(dá)的通道幅相一致性校正研究開始于上世紀(jì)８０年代。有多種分類方法，按照陣列系統(tǒng)是否包含專門的校正電路可正和現(xiàn)場校正。工廠校正在微波暗室內(nèi)完成，可以高精度地完通道的幅相校正。但是由于工廠校正通常由平面近場天線測量要逐一對收發(fā)通道進(jìn)行精確的測量，工作繁瑣，耗時長，而且行時的動態(tài)誤差進(jìn)行校正。采用工廠校正的相控陣列雷達(dá)有ＴＨ３０＞１等［２３；２４］。圖１．１是典型的相控陣列雷達(dá)的工廠級校正實物圖［２５］控陣列、高精度校正信號源、機(jī)械傳動裝置等。機(jī)械傳動裝置用正信號源的位置，逐一對被校相控陣列的通道進(jìn)行校正。逡逑

果［２６；２７］。學(xué)者以＾業(yè)＾設(shè)計了一款工作在３0ＧＨｚ頻段的相控陣列，包含６４根圓逡逑極化天線，并分別在陣列的４個角落放置校正接收機(jī)，采用近場校正方法來校逡逑正所有天線的幅相不一致性，如圖１．２，校正后的幅度誤差為０．２１邋ｄＢ，相位誤逡逑差為２．２°。近場校正的另一個例子是旋轉(zhuǎn)矢量法（Ｒｏｔａｔｉｎｇ－ｅｌｅｍｅｎｔ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｆｉｅｌｄ逡逑ｖｅｃｔｏｒ，邋ＲＥＶ）。ＲＥＶ方法僅僅通過測量合成信號的幅度就可以完成通道間的幅逡逑度和相位測量［２８￣３（）］。通過從０°到３６０°逐漸旋轉(zhuǎn)每一個通道的相位，ＲＥＶ方法測逡逑量整個陣列的合成電場幅度，，然后計算得到每一個通道的幅度和相位值。然逡逑而ＲＥＶ方法的總校正時間和通道數(shù)目、相位旋轉(zhuǎn)的分辨率成正比，對于通道數(shù)逡逑目眾多的陣列需要消耗大量的校正時間。逡逑通逡逑圖１．２邋Ｐａｗｌａｋ設(shè)計的８ｘ８相控陣列，包含４個近場校正接收機(jī)逡逑內(nèi)部校正法為每一路通道設(shè)計專門的校正回路，并放置于每一個天線的附逡逑近，用于測量天線發(fā)射信號的輸出功率。隨后校正回路把測量信號傳輸給專門逡逑的處理單元
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U675.7;TN820

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 龔文斌;;星載DBF多波束發(fā)射有源陣列天線[J];電子學(xué)報;2010年12期

2 吳劍坤;俞小鼎;;強(qiáng)冰雹天氣的多普勒天氣雷達(dá)探測與預(yù)警技術(shù)綜述[J];干旱氣象;2009年03期

本文編號：2598602