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基于天线共享孔径的研究

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  摘 要:随着当今信息技术的发展,各种平台的电子设备日益增多,带来了空间、时间、能量等资源的紧张。因此,把不同种类、不同功能的电子设备进行一定的结合,构成一体化的资源系统已经成为时代发展的必然。雷达和通信是当今不少平台都必须具有的功能,因此对其都需要用的的天线设备进行共享研究是具有现实意义的。本文在阅读较多文献的基础上对现有研究进行了总结并提出了自己一定的看法。
  关键词:信息技术;通信;设备
  0 引言
  共享天线孔径一般是指在宽带相控阵天线和先进波束形成技术的基础上,根据具体的雷达、通信等任务需求,通过设计、计算各自所需的波束特征并事先存储起来;在实际的任务执行过程中,通过波束捷变等方式,对同一个天线孔径进行复用。当前对天线共享孔径的研究主要分为两个方面。一种是对天线共享孔径任务调度的研究,另一种为天线孔径的共享分析与优化。相控阵天线的出现以及大量应用给共享孔径任务调度的研究带来了实现的可能性。对于相控阵天线,发射和接收都是可以由相互独立的射频单元负责,个别射频单元的失效并不会对系统的整体性能带来较多影响,而且相控阵天线的扫描速度快,波束方向灵活可控。在相控阵天线的这种特点下,它的每个天线阵元的功能可以随时进行切换,因此天线孔径可以根据不同的需要进行动态分割,这就使得天线可以进行动态切换同时执行多种任务。稀疏布阵和子阵交错技术的出现使共享天线孔径有了新的解决方案,即可进行天线孔径的共享分析和优化。所谓稀疏阵列是指为了达到一定的功能效果,采用部分的阵元就可以在主要的性能指标上达到原来满阵列的效果。这样一方面节省了阵列资源,另一方面如果对稀疏掉的阵元应用于通信等其它的功能就实现了同一阵列天线的合理划分与嵌套,且可以同时形成两种以上的波束。子阵交错技术则是在稀疏阵列的基礎上,将两个以上的阵列交错放置,这样使得不同功能的天线阵列可以交错使用同一孔径。
  1、当前研究现状
  对于有源相控阵天线,相关的研究和实验已经表明,当小于10%的射频单元失效时,对系统没有明显的影响,无需进行停机检查维修;即使有30%的单元不能正常工作时,系统的增益约降低3db,仍可以继续工作[1]。这一突出特点表明共享相控阵天线的实现可能性大大提高。2005年开始,美国的雷声公司、L3公司就在有源相控阵雷达的基础上进行了通信数据链的研究工作,利用AN-APG79雷达(装备在F-22型战斗机)加装通信调制设备的形式实现了高速数据传递。2007年,洛克希德.马丁公司、格鲁曼公司和L-3通信公司在有源相控阵雷达的宽带通信实验中,利用AN-APG81雷达(装备在F-35型战斗机)共同合作完成了有源相控阵雷达与地面通用数据链的调制仿真器之间进行相关数据的发射与接收实验,此实验也证明了雷达数据链具有通信所需要的短距离、大带宽和高速率的能力[2]。美国海军实验室于1996年启动的先进多功能射频概念(AMRFC)计划,根据不同的任务类型对天线孔径进行了分割,达到了天线同时实现多种功能的目的[3]。进一步说,利用相控阵天线可以形成多波束的特点,结合雷达、通信设备执行任务时的要求,对天线孔径进行共享使用,经过一定的计算和权衡后可同时形成独立的多个波束,每个波束进行自己独自的任务,从而达到雷达、通信等多种任务的同时实现。美国海军AMRFC实验室设计了共享孔径多频段天线,它由四个电子扫描子阵列组成,它可以在不同威力范围内的三个频段上工作[4]。
  不管是有源还是无源的相控阵天线,为了充分利用孔径资源,当需要执行任务的类型和数量较多时,天线的孔径资源就没有办法随意分割使用。此时需要对天线任务进行合理的划分、管理与调度。其中,胡卫东等人对相控阵天线阵列中的资源调度、实时任务分配、计算负载管理等比较关键的问题作了较为全面的总结[5]。但是,他们的研究主要集中在了单个孔径下的分时调度问题上。天线孔径动态分割条件下的任务调度问题成果较少,仅在少数文献中提及[6,7]。由于每个子孔径根据不同的需要可能会执行不同的任务,而且每种任务需要占用的孔径数量也不尽相同。因此文献[7]提出动态分配天线资源可以先根据孔径面积百分比进行划分,之后再根据具体的任务进行动态分配孔径面积,这样不管是否相邻的子孔径之间都可以直接组合起来执行对应的任务,初步实现了任务调度。葛悦禾分析了天线可以同时在两个频段内进行工作并对其进行了设计[8];空军工程大学李龙军等人的相关研究[9,10]指出,对宽带阵列天线进行共享孔径的多子阵交错的设计优化后,能达到对不同子阵的旁瓣峰值进行有效的抑制的能力;郭华以两个子阵列方向图的最高旁瓣电平作为优化的目标,对双频共享孔径阵列天线进行了设计[11];石长安等指出,在对共享天线进行设计时,要达到雷达天线的主瓣波束较窄、最大旁瓣增益要小,通信的互干扰要小[12]。
  2、主要研究工作
  一般的阵列天线分为线性阵列、平面阵列(矩形网格阵列、圆周边界矩形网格、圆周边界六边形网格、圆周网格、同心圆周网格)等。而线性阵列是平面阵列的基础,因此大多数相关工作都是围绕着线性阵列展开。评价线性阵列的指标通常是看它的方向图性能和最大旁瓣电平或者最大相对旁瓣电平。对于一般的线性阵列,设各阵元幅度激励相同则两个子阵的方向图分别表示为:
  针对线性阵列的优化,以 Coman C.I 和 Simeoni M 为代表的研究小组,利用循环差集及其“补集”的方法实现了多子阵的稀疏交错布阵[13],但差集的参数会限制到阵列的结构,而且这样设计的阵列往往不是最优解[14],子阵存在较高的旁瓣电平。因此胡继宽等人提出了一种将差集与遗传算法相结合来对阵列进行优化的方法[15]。首先利用差集理论确定各个阵元的位置,然后在以阵元的幅度激励为变量,把旁瓣电平作为优化指标,利用遗传算法进行优化。利用该方法得到的方向图子阵旁瓣电平较低,共享孔径交错阵列的整体性能得到一定的提升。但是该方法中的遗传算法计算复杂度较高,会占用较大的资源,而且分步优化的方法比较复杂。如果阵元的激励改变也会增加阵元馈电网络设计的复杂度。李龙军等人利用天线单元激励与方向图之间存在傅里叶关系提出了一种不同工作频率下多子阵交错的阵列天线优化方法[9]。首先将阵列天线的不同工作频率差异转换为不同的单元激励,利用密度加权的原理确定不同工作频率下各个子阵单元的位置,使各个子阵的方向图与交错稀疏子阵的方向图近似一致。在此基础上李龙军等人又提出了改进方法[10],通过傅里叶逆变换第一次确定子阵方向图的时候将旁瓣电平人为设置为约束旁瓣值,之后进行傅里叶变换,将阵元激励大小排序后采取奇偶交错方法选取阵元位置,而后将子阵1的激励设置1,完成一次优化。之后不断迭代直到找到该方法下的最优值。该方法与遗传算法相比具有更低的旁瓣电平,而且计算量相对来说较少,计算速度更快。但是该方法得到的方向图的旁瓣电平也相对较高,还可以进一步优化。刘新星[16]等人提出了一种基于模拟退火算法的共享孔径多子阵交错分布方法,该方法以工作频率的不同作为约束条件,以天线阵列的栅格间距和阵元位置为优化变量,两个子阵的峰值旁瓣电平为目标函数。首先,对阵元栅格间距设置一个最小和最大间距并以此为约束来确定阵元位置的分布,然后利用模拟退火算法对阵元栅格和阵元的位置分布进行优化,得到目标函数的值并不断改进,最终生成不同频率、不同指向的两个波束。对此进行实验仿真后发现可以有效降低两个子阵的峰值旁瓣电平,且两个子阵的方向图性能相似。但是该算法中栅格权值的产生会对算法的收敛性产生一定的影响,当某个权值下的解较差时,通过调整阵元位置来优化目标函数的效果也会不太好,并且算法的运行速度也会降低。费晓[17]等人提出了一种新的优化算法——风驱动优化。首先把两个阵列间相邻阵元的间距作为约束条件,将两个子阵方向图的最高旁瓣电平作为优化目标。在此约束条件下,先确定两个子阵的阵列单元的初始坐标,然后通过风驱动算法优化两个子阵的单元坐标位置以此来降低子阵的旁瓣电平。该方法可以灵活控制方向图的指向,,子阵旁瓣电平也较低。

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