共形阵列复合电磁瞬态模型及阵元协调控制研究

Aiming to influence with the multi-polarizations electromagnetic characteristics, this project conducts the research of fundamental theory and experiment of conformal array pattern synthesis. In this project, the conformal array dynamic receiving signal process modeling, the modeling analysis method and coordination control strategy are researched to find the low complexity broadband frequency invariant beamforming method for the conformal array. Considering the application of array element different space orientation, the space-time model of element distribution coupling with the receiving signal characteristics is presented. The model of recombination electromagnetic transient is proposed including that the mechanism on generation-recombination process of array element multi-polarizations, and the degeneration mechanism of the electromagnetic prosperities for the conformal array effect. Based on the model research, the coordinated optimization control of array elements is proposed. The optimization conformal array beamforming parameters are gotten by analysing and evaluating the control and coordination methods. To develop the application of basic research of conformal array beamforming, it will help to improve the theoretical and practical application in conformal array.

针对宽带波束形成受到载体表面多极化电磁学特性影响，本项目开展共形阵列波束形成的优化理论研究。该项目深入研究共形阵列接收信号的动态过程模型和分析方法，以及阵元协调控制对策，力求研究一种可靠的共形阵列宽带频率不变波束形成技术。课题拟面向阵元空间取向不同的应用环境，建立含阵元分布和接收信号特性的电磁瞬态空时模型，探索多极化效应对共形阵列性能退化的影响机理，实现考虑阵列空间分布的多目标优化稳定阵列模型，并基于时间尺度的动态环境检测和阵元间闭环控制，建立分析和评估共形阵列中各阵元相互控制和协调的方法，实现波束形成的参数优化，进一步完善波束形成技术在共形阵列中的理论体系。

本项目针对阵列波束形成受共形载体表面曲率多极化电磁学特性的挑战，面向阵列在空间分布不均匀时的应用环境，开展建立复合电磁的瞬态模型研究。并在研究阵元瞬态电场过程的机理上设计阵元协调控制策略，从阵元模型和阵元优化控制两方面来寻求提高共形阵列波束形成性能的有效方法。通过本项目的研究致力于对宽带阵列波束形成中关于频率不变功率波束设计、阵列存在误差时的稳健波束设计、共形天线阵列频率不变波束形成以及阵列存在互耦效应时波束形成等问题进行算法研究。. 项目在研究了阵列天线的物理参数、激励机理，以及电磁辐射、反射、吸收和透射等特性基础上，基于麦克斯韦方程与RWG 基函数的矩量法，推导出阵列天线的理论模型，并分别分析了偶极子单元沿圆弧和沿圆环排列的阵列，考察了不同阵列形式中阵列单元的电流幅度、相位分布情况。项目在波束形成的基本理论和所建模型基础上，对宽带数字波束形成的频域处理算法进行分析研究，构造了基于滤波器组的波束形成系统。并对阵元间存在互耦效应的情况进行波束图的优化设计。项目提出了新的宽带互耦补偿的频率不变波束形成方法，通过对宽带信号进行频率分解，在子带频率中分别求解滤波器系数和互耦补偿矩阵，对各子频率都进行相应地的互耦矩阵计算和有效补偿，可以实现整个带宽信号的互耦补偿，提出的算法能有效地降低期望信号的主瓣宽度和旁瓣高度，仿真结果验证了算法的有效性。本项目同时提出共形阵列阵元间协调控制的方法，结合解析和数值分析手段，实现超低副瓣、自适应副瓣对消、自适应波瓣零点控制等技术。本项目的研究成果与提出的算法针对在辐射单元密集组阵，在互耦强，端口耦合带来的各射频通道幅度相位的偏差，各通道方向图一致性差的条件下，能达到将波束主瓣对准有用期望信号，旁瓣对准非期望信号，实现有效地提取期望信号以及提高信干噪比的目的。本项目的研究成果使得大规模密集阵列技术在5G通信系统中的中具有更加广泛的应用前景。