多分辨率復合數字陣列天線的設計與實驗

唐 玥　毛 天　江 冰

（河海大學物聯網工程學院 常州 213022）

多分辨率復合數字陣列天線的設計與實驗

唐 玥毛 天*江 冰

（河海大學物聯網工程學院 常州 213022）

稀布陣列天線具有簡化陣列結構、降低系統成本的優點，基于數字波束形成的稀布陣列天線技術獲得了廣泛地關注。基于作者所提出的多分辨率復合陣列天線技術（MRCA），該文設計了一個多分辨率復合數字陣列天線，并應用該陣列天線來進行單目標和雙目標檢測實驗。仿真和實驗結果均表明：與傳統的均勻直線陣列天線相比，在相同的陣列天線單元數目的情況下，多分辨率復合數字陣列天線可以得到更窄的主波瓣和更低的副瓣，增強了陣列天線系統的方向性，提高了角度分辨率。

稀布陣列天線；多分辨率復合數字陣列天線；目標檢測

引用格式：唐玥，毛天，江冰.多分辨率復合數字陣列天線的設計與實驗［J］.雷達學報，2016，5（3）：265-270.DOI：10.12000/JR16005.

Reference format：Tang Yue，Mao Tian，and Jiang Bing.Design and experiment of multi-resolution composite digital array antenna［J］.Journal of Radars，2016，5（3）：265-270.DOI：10.12000/JR16005.

1　引言

目前，智能天線的核心技術之一是數字波束形成技術。數字波束形成技術具有精度高、可編程、可重構等優點［1］，可以在數字領域內動態地形成所需的各種波束［2］。在認知無線電領域，已有學者將數字波束形成技術用于各處，例如干擾控制［3］、最大化信道容量［4］、SINR均衡［5］等。

相對于已被廣泛研究的稀布陣列天線模型，基于多個天線子陣輸出信號合成的復合稀布陣列天線模型能獲得較高的稀疏率和較低的旁瓣，其在雷達系統中的運用與研究獲得了越來越多的關注［6，7］。其中，比較經典的是由D.G.Tucker介紹的基于兩個天線子陣的輸出信號相乘的乘法陣列（MultiplicativeArray，MA）技術［8］。MA技術最初應用于射電天文偵測，后被廣泛應用在方向圖特定方向上形成極窄的零點［9-11］。L.C.Stange和C.Metz等人第1次將MA技術應用于設計大孔徑稀布陣列天線數字波束雷達，在維持一定的雷達成像效果前提下，相較于傳統天線陣削減了很多天線單元，極大地降低了數字波束雷達的成本和系統復雜性［12］。盡管如此，基于MA的數字波束雷達存在著多目標分辨能力不足的缺點，這極大地限制了其在數字波束雷達領域的應用。

與MA技術相比，本文所提出的基于多分辨率復合數字陣列（Multi-Resolution Composite digital Array，MRCA）天線技術在同等指標下能更多地減少陣列天線單元的數目，節約了成本；或者在相同陣列天線單元數下取得更寬的多目標分辨區域，提高了角度分辨率。

除了單一頻率或頻段前提下的復合稀布陣列天線模型，基于多個天線子陣不同頻率或頻段輸出信號的復合稀布陣列天線方法也受到重視［13］。通過對稀疏陣列天線子陣在不同頻率信號下形成的數字波束方向圖進行方向圖綜合的方法，有效地降低了該稀疏陣列天線的副瓣。此外，該復合稀布陣列天線的子陣波束寬度也被用于抑制稀疏全陣的遠區柵瓣和副瓣，十分適合航空或航天等空間有限前提下的雷達應用。由于不需要昂貴的多頻段收發組件，本文所介紹的MRCA更加適用于低成本高方向性雷達應用領域。

2　多分辨率復合陣列天線技術及其設計

2.1多分辨率復合陣列天線技術

MRCA技術的基本原理就是運用不同半功率波束寬度（Half Power Beam Width，HPBW）的數字波束來掃描整個空域，然后通過數字波束形成，合成窄波束，能夠不以方向圖變壞為代價獲得高稀疏率。MRCA的基本結構如圖1所示，可以由位于一條直線上的一個半波長均勻子陣和數個均勻稀疏子陣結合而成。所有這些子陣都是對稱結構，并且它們的相位中心位于MRCA的中心［14，15］。每個子陣都單獨進行數字波束形成，而復合陣列的高分辨率和柵瓣抑制是通過所有子陣的數字波束形成結果相乘而獲得的。

圖1　MRCA結構圖Fig.1 Structure of MRCA

為了保證高角分辨率和高稀疏率，第1級子陣應具有較大的孔徑和較少的單元數。為了獲得寬角度的偵測范圍，最后一級子陣應該在整個觀測角范圍抑制柵瓣。因此，第1級子陣為大孔徑稀疏均勻直線陣，最后一級子陣為半波長單元間距的小孔徑均勻線性陣列，其他子陣為介于兩者之間的稀疏均勻直線陣。每個子陣的孔徑和單元間距的選擇將影響復合陣列天線的方向圖性能和波束掃描范圍，其具體設計方法將于下一節介紹。

2.2多分辨率復合陣列天線的設計

多分辨率復合陣列天線的設計過程是從第1層到第Q層的，設計步驟如圖2所示。

圖2　MRCA的設計步驟Fig.2 Design steps of MRCA

該陣列的單元間距d1取決于最大多目標鑒別角θm［15］，由式（2）給出：

因此，第1層陣列的單元個數N1可以由式（3）給出：

其它層的陣列，單元數目Nq應該首先給出，并且至少大于3，不同的Nq將影響整個MRCA的數目。

步驟2 第q（q≥2）層的角分辨率ψq要比q-1層的最大多目標鑒別角θq-1小：

如果設定第q層陣列的角分辨率為ψq=0.5θq-1，那么第q層的陣列孔徑Lq和單元間距dq可分別由式（5）和式（6）給出：

上面提及的多分辨率天線陣列設計方法是較為簡便的人工設計方案，并不是最佳設計方法。盡管如此，在陣列天線層數較少時，該人工設計方案比較容易得到符合設計要求的多分辨率陣列天線結構，并依此來搭建陣列天線，測試和驗證多分辨率復合數字陣列天線理論。

3　多分辨率復合數字陣列天線實驗設計

3.1實驗設計及仿真

根據2.2節所描述的多分辨率復合陣列的設計方法，設計好了多分辨率復合陣列中每一層子陣天線單元的數目以及天線單元之間的間隔。實驗中采用的多分辨率復合陣列天線參數的設置和空間分辨率如表1所示，為與其作對比，具有相等天線單元數量的半波長均勻直線陣列天線的參數與空間分辨率也在表1中給出。

表1　ULA和MRCA陣列結構配置表Tab.1 Configuration table of ULA and MRCA array

實驗系統設計的空間分辨率為小于8°，因受到實驗條件的限制，只設計了具有3層子陣的MRCA，每一層子陣包含了5個接收天線單元。因所有子陣的相位中心都位于MRCA的中心，所以位于相位中心的天線單元被3個子陣重復使用，即實驗中實際采用天線單元數為13個。因此本實驗中作為對比的半波長均勻直線陣列天線（Uniform Linear Array，ULA）單元數也為13個。

圖3　數字波束形成結果Fig.3 Digital beamforming results

圖3（a）為13單元半波長間距ULA波束形成仿真結果。圖3（b）為MRCA每一層子陣波束形成仿真結果，從圖3（b）中可以看到，第1層子陣產生的波束圖主瓣最窄，柵瓣數量最多，是因為其天線單元之間的間距比較大（d=4λ）。第2層子陣產生了數目較少的柵瓣，因為其天線單元之間的間隔相對于第1層較小（d=1.5λ）。第3層子陣產生的波束圖主瓣較寬，沒有產生柵瓣，其天線單元之間的間隔為半個波長（d=0.5λ）。仿真和下文的實驗過程中，MRCA每一層子陣和ULA的波束形成中均采用了副瓣電平為-30 dB的切比雪夫加權系數，該加權系數通過輸入天線單元數和目標副瓣，按切比雪夫加權系數算法計算獲得。

這3層子陣的方向圖相乘后產生的MRCA陣列方向圖與相同天線單元數的ULA作比較，其結果如圖3（c）所示。當天線單元個數相同時，MRCA產生的波束圖的主波瓣寬度遠小于ULA，并且二者都沒有產生柵瓣，說明了在天線單元數相同的情況下，基于MRCA的數字波束系統具有更高的角度分辨率。相對于傳統的均勻直線陣列，基于多分辨率復合陣列技術能夠提高數字波束系統的角度分辨率。

3.2實驗過程及結果分析

本實驗的驗證系統框圖如圖4所示。硬件系統包括一臺E5071C型矢量網絡分析儀（VNA），一臺裝有labview和matlab軟件的筆記本電腦，兩個相同的X波段錐形喇叭天線（一個作為發射天線，一個作為接收天線），兩個角反射器（實驗過程中充當目標），兩根電纜。整個實驗的硬件系統實物圖如圖5所示。筆記本電腦通過通用接口總線（General Purpose Interface Bus，GPIB）與網絡分析儀相連，在電腦上使用labview程序控制網絡分析儀發射的電磁波信號的頻率和帶寬，使用matlab程序進行數據處理。網絡分析儀的Tx端和Rx端通過兩根電纜分別與兩個喇叭天線相連接。

圖4　MRCA數字波束系統實驗驗證系統框圖Fig.4 Verification system figure of MRCA digital beam system experiment

圖5　MRCA數字波束系統實驗硬件系統實物圖Fig.5 Hardware system figures of MRCA digital beam system experiment

本實驗中，設定網絡分析儀的Tx端發射信號的掃描頻率為5.0～5.5 GHz，信號頻率的帶寬為0.5 GHz，信號經過發射天線放大后發射出去，接收天線接收來自角反射器反射回來的回波信號。記錄的S21數據不僅可以用來確定目標的距離，還可以用來做數字波束形成處理。電腦通過labview來控制整個實驗過程。由于受到實驗條件的限制，實驗過程是固定目標和發射天線不動，移動接收天線，將天線在不同位置接收到的信號轉為數字信號存儲起來，最后通過數字波束形成的方式獲得陣列天線的方向圖。

首先，進行單個目標精確定位實驗。當放置一個目標在90°，3.6 m時，MRCA每一層子陣的檢測結果與執行數字波束形成后的檢測結果如圖6所示。

從圖6可以看出，第1層和第2層子陣對單個目標進行檢測時，均出現了假目標。而第3層子陣檢測時，沒有出現假目標，但由于該層子陣角度分辨率較低，無法對目標精確定位。經過子陣綜合處理后，能夠清楚地得到單個目標的距離和角度信息，并且消除了假目標，說明基于MRCA的數字波束系統能夠使用相同的天線單元獲得更精確的單個目標位置信息。

然后進行等距離雙目標角度分辨實驗。當兩個目標分別被放置在87°和93°時（4.8 m），MRCA每一層子陣的檢測結果與經過數字波束形成（Digital BeamForming，DBF）處理后的檢測結果如圖7所示。

從圖7可以看出，第1層和第2層子陣對兩個目標進行檢測時，均出現了假目標。當第3層子陣進行檢測時，無假目標，但由于該層子陣的角度分辨率較低，無法區分這兩個目標。但是通過子陣綜合處理后，消除了假目標并區分這兩個目標，說明了基于MRCA數字波束雷達能夠使用相同的天線單元區分近距離內的少量目標。

圖6　基于MRCA數字波束系統的單目標檢測結果Fig.6 Detection result single target based on MRCA digital beamforming system

圖7　基于MRCA數字波束系統的雙目標檢測結果Fig.7 Detection result double targets based on MRCA digital beamforming system

4　結束語

本論文研究的是多分辨率復合數字陣列天線的設計與實驗。相較于傳統方法，本文所提出的方法既提高了系統的分辨率，又減小了系統的成本與復雜度。本文首先根據多分辨率復合陣列天線的理論模型，設計符合指標要求的陣列天線；其次搭建基于該多分辨率復合陣列天線的驗證系統；最后，完成了對單目標和等距離雙目標角度的檢測與分辨。通過硬件實驗和仿真實驗驗證了該系統的可行性。

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唐 玥（1982-），男，江蘇常州人，現為河海大學講師，主要研究方向為數字波束雷達、天線與陣列天線、無線電定位等。

E-mail：tang0204@e.ntu.edu.sg

毛 天（1993-），男，湖北咸寧人，現為河海大學碩士研究生，主要研究方向為智能信息處理。

E-mail：15051966860@163.com

江 冰（1960-），女，江蘇常州人，現為河海大學教授，主要研究方向為電子與雷達通信、智能信息理論與技術、現代通信技術等。

E-mail：jiangb@hhuc.edu.cn

Design and Experiment of Multi-resolution Composite Digital Array Antenna

Tang YueMao TianJiang Bing
（Department of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Because a sparse array has the advantages of a simplified structure and reduced cost in a radar system，radar technology based on the sparse array has gained widespread attention.To take advantage of the sparse array，in this paper，we designed a Multi-Resolution Composite digital Array antenna（MRCA），and then used it in single-target and multi-target detection experiments.Using the same number of array elements，our experimental results demonstrate that the MRCA can obtain a narrower main lobe and a lower side lobe，enhances the direction of the array antenna，and improves the angular resolution compared with the uniform linear array.

Sparse array； Multi-resolution composite digital array antenna； Target detection experiments

TN957.2

A

2095-283X（2016）03-0265-06

10.12000/JR16005

2016-01-07；改回日期：2016-02-23；網絡出版：2016-04-06

毛天 15051966860@163.com

國家自然科學基金（61501172），中央高校基本業務費項目（2015B04514）

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China（61501172），The Fundamental Research Funds for the Central Universities（2015B04514）