主動補(bǔ)償技術(shù)在可變相位陣列天線上的應(yīng)用-副本

1、主動補(bǔ)償技術(shù)在可變相位陣列天線上的應(yīng)用摘要集成電子設(shè)備組成的極薄天線結(jié)構(gòu)，可提供更好的戰(zhàn)術(shù)部署，更好地實現(xiàn)無人控制平臺技術(shù)。此外，針對解決微小結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機(jī)械失真引起輻射波瓣極大程度的退化問題，已經(jīng)有了一些創(chuàng)新的算法。本文提出的技術(shù)可以很好的保證波瓣各個方向上的質(zhì)量，同時實現(xiàn)對副波瓣的控制。該技術(shù)計算過程簡潔，甚至可以用來提供極大天線陣列的相位實時補(bǔ)償。目錄i目錄摘要1第一章 大型可展開天線的關(guān)鍵技術(shù)1第二章 輻射波瓣的攝動3第三章 補(bǔ)償技術(shù)5第四章 結(jié)論11第五章 參考文獻(xiàn)13英文翻譯13第一章 大型可展開天線的關(guān)鍵技術(shù)電設(shè)備控制的天線質(zhì)量，很大程度上依賴于輻射元素精確的周期位置。支撐諸多天線

2、元素的平面結(jié)構(gòu)的剛度，保證了天線的穩(wěn)定性。剛性結(jié)構(gòu)，通常是金屬材料，避免了溫度失真，但同時帶來設(shè)計復(fù)雜，質(zhì)量重，生產(chǎn)成本高等問題。柔性結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的分段生產(chǎn)和安裝，減少了調(diào)度運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)過程的費(fèi)用。然而，結(jié)構(gòu)剛度的降低，環(huán)境的變化會使系統(tǒng)產(chǎn)生極大的變形，導(dǎo)致機(jī)械失真。載荷包括環(huán)境溫度載荷、風(fēng)載、冰雪載荷等，振動包括風(fēng)振、機(jī)械設(shè)備在平臺上的旋轉(zhuǎn)振動、船的搖晃振動等。主要的挑戰(zhàn)包括在降低天線機(jī)械結(jié)構(gòu)成本的同時，保證系統(tǒng)具有同等的功能水平。補(bǔ)償變形影響的一種方法是，通過傳感器對波信號的幅值和相位的反應(yīng)，捕捉天線形狀變化來修正全局輻射波瓣。這種方法中，天線是傳感器實時測量絕對位移的儀器。傳感器通過

3、機(jī)械模型提供的數(shù)據(jù)，可以自動計算出來。另一種方法是把傳感器的位置作為目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)陣列的自動校正。一旦得到所有的輻射源的真實物理位置，必須補(bǔ)償它們對全局波瓣的影響。一些算法直接應(yīng)用RF相位和振幅激勵，能夠?qū)崿F(xiàn)對變形的天線恢復(fù)其高質(zhì)量的波瓣。從簡單的方法入手，我們基于光譜分析提出了一種新的并且更加穩(wěn)健的算法，它花費(fèi)少的計算時間展示了很好的結(jié)果。論文計劃回顧幾種不同的技術(shù)，用來降低因為設(shè)備處在輻射表面造成的退化現(xiàn)象。第二部分，計劃列舉一些可展開天線在系統(tǒng)中遇到的主要問題。然后，本文計劃在第三部分介紹幾種自動補(bǔ)償機(jī)制的技術(shù)。我們一開始開發(fā)了一個相位自適應(yīng)平臺，然后提出一種基于相位幅值調(diào)整最小二乘法的

4、方法，最終提出基于位移光譜分析的方法。在第四部分，文章會比較幾種技術(shù)的補(bǔ)償效率。文章最后總結(jié)了該方法適用的領(lǐng)域。第二章 輻射波瓣的攝動天線的輻射波瓣顯示了天線的準(zhǔn)確性，還有抵抗干擾信號的能力。變形會導(dǎo)致不可控制波束偏斜，還有副波瓣的增加。因此，補(bǔ)償?shù)膯栴}在于應(yīng)用儀器或者自動調(diào)節(jié)知識給出天線形狀，進(jìn)而恢復(fù)到可接受的輻射波瓣。為了清楚說明，本文介紹幾個常規(guī)的線性天線在平面上的公式。首先，考慮單個元素的復(fù)雜波瓣功能，因為它不受變形的影響。輻射波瓣是每一個元素在它們自己位置上的貢獻(xiàn)總和。不考慮任何輻射表面的攝動，一個含N元素的線性天線的陣列因素是：其中，k是輻射波頻率矩陣，an是第n個元素的相對復(fù)雜激

5、勵，d是傳感器間的距離。理想元素激勵的決定值an取決于特定的表現(xiàn)，比如一些給定的變量(方向、副波瓣或特殊波瓣的特性)已經(jīng)被廣泛的研究。這個方法對所有的激勵法則都適用。因為變形相對于天線整個尺寸是微小的，我們僅僅考慮橫截面的位移。如果記第n個傳感器的橫截面位移為zn，輻射波瓣公式變?yōu)椋簣D像1展示了一個有20個陣列元間距為0.6波長的線性相陣列天線的橫截面形狀的例子。隨機(jī)形狀的最大振幅大約是0.25波長。圖1 天線在測試下的失真圖像1的位移可以看做是動力學(xué)變形中的瞬態(tài)位移，圖像2展示了被測天線在隨機(jī)變形下沒有任何補(bǔ)償下的輻射波瓣。圖2 理想和失真輻射模式可以注意到，變形主要影響的是一個不可控制的波

6、束偏斜和高出的副波瓣，變形甚至讓主波瓣的增加有所減緩。波束偏斜包括發(fā)射和接收信號中波動相位的轉(zhuǎn)換。這些直接影響了通過默認(rèn)的雜亂拋棄測量的多普勒頻率的轉(zhuǎn)換。這些副瓣振幅的平均增加量是13dB，準(zhǔn)確率大約是正負(fù)1度，這些都影響了天線在很多方面的應(yīng)用。第三章 補(bǔ)償技術(shù)鑒于傳感器獲取變形的準(zhǔn)確性，下一步考慮應(yīng)用補(bǔ)償算法來實現(xiàn)對理想波瓣的恢復(fù)。第一客觀地講必須是指向的準(zhǔn)確性，然后是副波瓣的管理?；谙辔蛔赃m應(yīng)的補(bǔ)償技術(shù)，第一次作為基線問題來介紹，然后比較更復(fù)雜的方法，基于最小二乘法或者光譜分析。3.1 基于相位自適應(yīng)的補(bǔ)償天線最重要的約束是它的指向，相位必須精確到10-3弧度之下才能保證天線應(yīng)用到雷達(dá)探

7、物。最普通的補(bǔ)償只是對偶然信號的客觀重復(fù)，基本補(bǔ)償只是準(zhǔn)確地復(fù)原了主波瓣，但是副波瓣水平仍然高。一個輻射元的物理位移，可以很容易用一個簡單的給定操縱方向來補(bǔ)償。如果所有的原位移是已知的，那么可以在不考慮波動方面修正相位法則，應(yīng)用了下面的激勵：如果用修正的激勵系數(shù)cn代替an，波瓣在天線指向上很好的恢復(fù)了，系統(tǒng)在指向的附近是理想的。圖像3顯示了天線補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果。副波瓣平均提升是8dB。但是，從圖像3上可以看到，遠(yuǎn)離副波瓣的修正量是不夠的。這些波瓣被定義為周期性波瓣，因為一些不可控制的周期性變量應(yīng)用到修正的約束中。除此之外，應(yīng)用相位是對稱修正的，但是波動可能只發(fā)生在指向角度的一邊。要同時補(bǔ)償所有獨(dú)立

8、方向上的變形影響，必須用更復(fù)雜的算法來實現(xiàn)。3.2 基于最小二乘法的補(bǔ)償最小二乘法一般用來解決確定的系統(tǒng)和優(yōu)化問題。為了在我們的案例中實現(xiàn)它，準(zhǔn)則是最小化理想輻射波瓣和天線區(qū)域有效的輻射波瓣的差別?？梢栽黾右粋€對角線比重矩陣W，強(qiáng)化補(bǔ)償角度。這個方法需要找到最合適的系數(shù)Cn使得E在下面的優(yōu)化準(zhǔn)則中接近于E0.最小二乘法是通過規(guī)劃最優(yōu)的相位和幅值激勵法則cn實現(xiàn)的，用來最小化每一個方向，理想波瓣和傳感器測量的變形波瓣的區(qū)別。輻射波瓣可以用兩個矩陣來表示，一個是相位和幅值法則組成的，另一個包括了輻射元的位置和計算角度的大小。沒有任何波動的輻射波瓣可以寫成：可以用相同的標(biāo)記符號來表示波動陣列：補(bǔ)償系

9、數(shù)可以通過下面的等式獲得，寫成矩陣符號為：其中MT為矩陣M的轉(zhuǎn)置矩陣，a為理想系數(shù)，c為補(bǔ)償系數(shù)。圖像4展示了此方法在測試結(jié)果的形狀。我們能看出，在近處和遠(yuǎn)處的天線指向均有理想的補(bǔ)償。圖4：基于平方擬合輻射模式與補(bǔ)償修正激勵的相位和幅值甚至可以對小的波動輸入攝動出轉(zhuǎn)換。限制出現(xiàn)于激勵自動獲取和幅值，還經(jīng)常受實踐的限制。這些表明本方法健壯性的缺失，下面通過相反問題理論的應(yīng)用來介紹更復(fù)雜的最小準(zhǔn)則。但是，最小二乘法需要大量的計算，這也限制了它在大型天線，尤其實在包含大量輻射元的特大型天線中的應(yīng)用。3.3 基于光譜分析的補(bǔ)償為了建立更加健壯的補(bǔ)償，這種基于小位移假設(shè)的新算法，實現(xiàn)了變形的光譜分析來匹

10、配復(fù)雜激勵系數(shù)的FFT，可以同時減緩所有方向上的輻射波瓣。通過對具有n個輻射元的線性天線失真光譜的捕捉，此方法恢復(fù)了N個兩側(cè)指向角度內(nèi)的輻射波瓣，同時極大地縮短了計算時間。補(bǔ)償證明的第一步是線性化，對于小的位移，線性化變形天線輻射波瓣的攝動來表達(dá)復(fù)雜激勵攝動的形式。第二步是反向攝動來獲得有效的修正量。運(yùn)用小位移假設(shè)，可以將理想的函數(shù)和攝動區(qū)分開來。如果應(yīng)用系數(shù)an到陣列，我們得到公式：。理想的波瓣可以有不同的形式，假設(shè)zegma是a的快速傅里葉轉(zhuǎn)換，我們可以得到公式：函數(shù)U是基本的輻射波瓣，其中所有的激勵等于1，并且指向為Um，當(dāng)U=Um時，該函數(shù)取得最大值。我們假定每一方面的加和中，U無限接

11、近Um。所以，非線性攝動的形式，可以根據(jù)理想的波瓣形式和每一個光譜補(bǔ)償?shù)臄z動量得到。E(u)的表達(dá)式為應(yīng)用反向FET得到光譜攝動量在每一個天線元的E因此，攝動量將系數(shù)an轉(zhuǎn)化為bn。我們還必須找到修正激勵Cn，那樣才能將Cn轉(zhuǎn)化為理想的系數(shù)an。通常，在相位和幅值上的小攝動量要線性化：圖像5為該種補(bǔ)償?shù)妮椛洳ò?，可以看到誤差僅僅發(fā)生在限定的角度。事實上，該可控角度通常是在正負(fù)一個波長之間。如果遠(yuǎn)端副波瓣的提高很重要，調(diào)整陣列元之間的距離，可以將角度的最大值保證在可視范圍之外。圖5 基于特殊分析的輻射模式與補(bǔ)償可以看到此方法的結(jié)果和最小二乘法相似，但是因為它僅僅需要兩個FFT，所以計算變得簡單，

12、在補(bǔ)償方面更加穩(wěn)定可靠。最后的這個方法，甚至可以對極大的頻率到1kHz的二維天線陣列進(jìn)行實時的補(bǔ)償評估。據(jù)調(diào)查，這樣的結(jié)果在天線領(lǐng)域還沒有報道。本文涉及的幾種補(bǔ)償，點(diǎn)的準(zhǔn)確性都得到恢復(fù)。圖像6顯示了平均副波瓣的水平和理想的測試水平間的比較。圖像還顯示了在變形的最大幅值方面，有和沒有補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果比較。在圖像6上，可以觀察到有20個陣列元的天線，如果沒有補(bǔ)償很快就沒有了天線功能。圖6 相比于理想圖表旁瓣的平均提高簡單的相位調(diào)整，只能緩和失真的一小部分。而最小二乘法和光譜分析法，可以在很大程度上減少副瓣的失真，減少的幅度為12dB，對于隨機(jī)移動可以到半個波長幅度。對于現(xiàn)實的天線設(shè)計，通過圖像5對理想目

13、標(biāo)形狀的比較，副波瓣的水平是可以接受的。本文提到的技術(shù)可以為更復(fù)雜天線，在有效運(yùn)作范圍副瓣水平補(bǔ)償做一定的鋪墊。比如，對于4dB的光線，也就是副瓣水平在-31dB，從圖像6中可以看出，在沒有任何補(bǔ)償技術(shù)下，它的最大失真幅值預(yù)測為0.05個波長。第一種基于相位適應(yīng)的補(bǔ)償，可以將失真控制到0.1個波長。而最后這兩個基于最小二乘法和光譜分析法的算法，可以減小失真到0.3個波長，也就是幅值誤差比沒有補(bǔ)償?shù)臅r候減小了6倍，同時保證了光學(xué)精度。需要強(qiáng)調(diào)的是，對于大的幅值失真(也就是大于一個波長)，光譜分析算法的效率會低于最小二乘法。事實上，在這種情況下，對于光譜分析中小位移的假設(shè)已經(jīng)失效。在小于一個波長的

14、幅值下，這兩種算法沒有很大的差別。本文涉及的補(bǔ)償技術(shù)，已經(jīng)和隨機(jī)形狀下的失真作了比較?？紤]機(jī)械方面的實現(xiàn)可以增加補(bǔ)償?shù)哪芰Γ@是后面應(yīng)該進(jìn)行的工作。第四章 結(jié)論本文提到了在電子設(shè)備驅(qū)動的陣列天線中，用于減少機(jī)械失真的新的補(bǔ)償技術(shù)，它可以在不考慮系統(tǒng)影響下，很有效的對所有方向上的輻射波瓣實現(xiàn)重建。接下來的幾個月內(nèi)，作者將會對穩(wěn)定性和優(yōu)化準(zhǔn)則做相應(yīng)的研究和展示。對于電子設(shè)備主動控制的陣列天線，激勵準(zhǔn)則的修正可以由模型得到。對于數(shù)字天線，失真可能更小。第一種補(bǔ)償方法可能完全成為一種額外的補(bǔ)償方式，用來消除無法控制方向的殘余噪音。第五章 參考文獻(xiàn)1 R.J. Mailloux, “Phased arr

15、ay theory and technology”, Proceedings of the IEEE, vol.70, N°3, pp. 246, 1982.PTL Publication2 H. Jasik “Antenna engineering handbook”, 1961, McGraw-Hill3 H. Schippers, et al. “Vibrating antennas and compensation techniques Research in NATO/RTO/SET 087/RTG 50”, IEEE Aerospace conference, 3-10 Mar