紧耦合自适应阵列相位模糊改善的关键机理及其在测向中的应用

In the broadband direction finding, digital beamforming and spatial anti-interference, the tight coupling antenna arrays occur when the element spacing is much less than the wavelength. Owing to the small spacing and serious mutual coupling, the phases of the receiving signals become ambiguity, which brings about some consequences such as the reduction of the radar resolution, the increase of the direction bias, raising of the nulling and pointing error of the beamforming.For the tight coupling arrays, the conventional method as mutual coupling compensation can not obtain good results. This project investigates how to improve the phase ambiguity by using theoretical analysis, numerical simulation and experimental measurement. In the research, the conformal mapping theoty and the scales transformation theory of electromagnetic field will be utlized.The aim is to achieve the crucial mechanism of improving the phase ambiguity under the tight coupling condition, and to reduce the impact of the undersize element spacing and the tight coupling on adaptive arrays. The mechanism and methods achieved will be applied to direction finding of tight coupling arrays in order to gain high-precision and high-resolution direction estimation. The research will provide some solutions for the broadband and the miniature of adaptive arrays.

在宽带的测向、数字波束形成及空域抗干扰处理中，当天线阵元间距相对于波长较小时，形成紧耦合阵列。由于阵元间距较小以及由此产生的强互耦，使得紧耦合阵列接收信号间相位模糊严重，进而造成雷达分辨力降低、测向误差增大、干扰零陷抬高以及波束指向偏离等不良后果。对于紧耦合阵列，采用传统的互阻抗矩阵补偿方法难于获得好的效果。项目针对紧耦合自适应阵列，结合理论分析、数值仿真及实验测试等方法，基于电磁场的保角变换理论和多尺度变换理论开展项目研究，突破紧耦合条件下改善自适应阵列相位模糊的关键机理，减小阵元间距过小和强互耦对自适应阵列性能的不利影响，并将该机理应用于紧耦合测向阵列中，实现高精度和高分辨力的测向。本项目的研究将为自适应阵列实现宽带化和小型化提供解决思路，具有重要的理论意义和工程应用价值。

众所周知，自适应阵列的性能会受到互耦效应的影响，造成测向误差增大、干扰零陷抬高、波束形成指向偏离等不良后果。特别在紧凑型阵列和宽带阵列情况下，上述问题更加突出。为了提高阵列天线的性能并适应更广泛的应用，研究阵列天线的互耦校准或补偿方法具有重要意义。.针对以上研究背景，开展了紧耦合自适应阵列相位模糊改善的关键机理及其在测向中应用的研究。详细研究了阵列互耦产生的机理及分析方法，总结了已有互耦校准方法的优缺点，提出了单元方向图重建法，在此基础上提出了宽带阵列互耦校准方法。主要工作包括以下几个方面：.（1）在分析了互耦机理及已有互耦校准方法的基础上，提出了互耦校准的单元方向图重建法。该方法利用单元孤立方向图和阵中方向图间的关系，建立互耦校准矩阵的求解方程。为了获得合适的互耦校准矩阵，采用最小二乘法求解互耦校准矩阵。.（2）研究了单元方向图重建法在不同阵列形式和不同单元形式时的适用性。该方法不仅可用于由线天线构成的阵列，也可用于由微带天线等平面天线构成的阵列。研究中，还证实了该方法在线极化和圆极化阵列中都可以使用，在一维线阵和二维圆阵中也都可以应用，在共形阵列中也可以得到应用。在研究中，将单元方向图重建法用于一维和二维DOA估计阵列，对信号进行校准，校准后可以获得更加精确的DOA估计效果。.（3）在单元方向图重建法的基础上，结合自校正方法的思想，提出了适合宽角域DOA估计的互耦校准方法。该方法与DOA估计方法相结合，通过交替迭代实现了宽角域DOA估计。将提出的方法用于一维线阵、二维L形阵列的互耦校准，实现了一维和二维DOA的精确估计。.（4）结合复曲线拟合方法和方向图重建法提出了一种宽带自适应阵列互耦校准方法。提出采用保形分段Hermite插值法实现另一重宽带互耦校准方法。采用上述两种宽带互耦校准方法对宽带阵列进行互耦校准，校准后DOA估计的效果验证了两种宽带互耦校准方法的有效性。.（5）搭建了实验平台，利用紧耦合阵列的DOA估计实验对单元方向图重建法进行验证。针对单极子天线阵列和微带天线阵列，进行DOA估计实验，分析了不同情况下DOA估计结果，验证了单元方向图重建法的有效性。.本项目所提出的单元方向图重建法和宽带阵列的互耦补偿方法可广泛应用于DOA估计、波束形成、抗干扰等应用系统中，也可用于精确计算和分析阵列互耦矩阵和相控阵的的配相校准中。