大型相控阵的稀疏化理论及其子阵设计

The large array antennas have been applied more and more extensively in the modern radar and wireless communication systems. Meanwhile, in order to reduce the cost and system complexity, the large array antennas are expected to be designed with sparse arrays or subarrays. However, the existing design methods still face some challenges. Based on compressive sensing theory, this project studies several key technologies in the design of large array from the angle of practical application, including sparse array synthesis with a certain gain constrain, sparse array synthesis with minimum element spacing constrain, uniform subarray design without grating lobes, and sparse array prototype design and measurement. The project will establish a scientific method for sparse analyze and synthesis, and provide theoretical support and experimental reference for sparse array application in large phased array.

大型相控阵天线在现代雷达及无线通信系统中得到了越来越广泛的研究与应用。工程中为了降低成本和系统复杂度，一般希望将大型阵列设计成稀疏阵或子阵形式。然而，现有的设计方法在大型阵列应用中还面临着诸多挑战。本项目基于压缩感知理论，从实际应用需求出发，围绕大型阵列设计中的几个关键技术展开了研究，包括：保证增益不变的稀疏阵列综合方法，稀疏阵列最小阵元间距限制问题，均匀子阵栅瓣抑制技术，稀疏阵实验设计等。通过本项目，建立一套科学的稀疏阵列分析和综合方法，为稀疏阵列在大型相控阵中的应用提供理论支撑和实验基础。

对相控阵天线而言，工程中为了降低成本和系统复杂度，一般希望将大型阵列设计成稀疏阵或子阵形式。然而，现有设计方法在大型阵列应用中还面临着诸多挑战。本项目基于压缩感知理论，从实际需求出发，围绕大型阵列设计中的几个关键技术展开了以下研究工作。包括：1、保证增益的稀疏阵算法。基于压缩感知理论以及FOCUSS算法，实现了对线阵、面阵以及共形阵的稀疏化综合。验证程序在53.6%的稀疏率下实现了0.5dB内的增益损失，并在±45°内扫描不出现栅瓣；实验样机实现了20%的稀疏率，并且增益损失在0.5dB内，整体论证了提出方法的有效性。2、非均匀阵列的最小阵元间距问题。基于扰动压缩感知以及混合优化算法成功解决了稀疏阵等非均匀分布阵的最小阵元间距问题，使综合阵列可有效满足实际阵元的物理尺寸限制，并从很大程度上避免阵列互耦的不良影响。3、非均匀子阵合成技术。提出了非均匀分布子阵及其综合方法，将空间锥削的思想引入子阵综合问题，通过阵列非均匀排列实现的空间锥削来补偿子阵化引起的幅度锥削不足，形成了非均匀阵列的子阵综合技术。通过引入阵列非均匀性后，取得的子阵综合效果显著均匀分布阵列，往往利用不多的子阵组便可实现良好的波束赋形以及低副瓣性能，该技术目前能成功运用到线阵、矩形栅格面阵以及同心圆环阵的综合问题，并有潜力进一步推广至共形阵场景。4、均匀子阵的栅瓣抑制问题。针对超大规模阵列来说，往往希望利用均匀子阵以满足工程实现的一致性，但均匀子阵存在栅瓣问题，因此研究了基于波束指向不相同子阵模块和开关控制的栅瓣抑制方法。该方法可以有效抑制传统均匀子阵的周期性栅瓣并扩展阵列扫描角，在阵列大角度扫描时仍然有效避免了栅瓣产生。仿真结果表面，综合子阵与阵元级相控阵相比，阵列通道数可节省85%。