论文部分内容阅读
雷达与通信系统向毫米波频段演进已成为发展趋势，同时也面临着更大的挑战。毫米波空间损耗大，因此系统需要更高增益的天线。传统相控阵天线同一时间只能产生单个高增益波束，无法实现大范围同时多波束覆盖。由于能够同时产生多个波束且无需移相器，数字波束成形技术（DBF）成为国内外研究的热点。近年来，不断涌现出各种基于DBF架构的毫米波应用，例如第五代移动通信（5G）、毫米波汽车雷达、毫米波成像等。因此，研究毫米波数字多波束阵列相关技术具有重要的理论与实际意义。本文主要围绕毫米波数字多波束阵列的两大主要关键技术：有源系统设计和天线阵列设计，开展了以下研究工作：
第一章针对77GHz汽车雷达和X波段长距监测雷达应用，设计并实现了两种基于接收数字多波束架构的调频连续波（FMCW）雷达前端。77GHz汽车雷达前端包含两个发射通道和六个接收通道，分别对应中距、长距雷达应用。雷达系统测试结果表明，有效检测距离可达170米。X波段雷达前端包含一个发射通道和六个接收通道，采用接收数字多波束架构。测试结果表明，该雷达可检测到约3-4km的运动车辆目标。
第二章提出并实现了一种基于直接数字频率合成器（DDS）的DBF发射系统。通过DDS将代表不同指向波束的加权系数直接在数字域进行矢量叠加，随后加载到各个通道中去，在远场上即可同时产生多个不同指向的波束。采用两种张角相反的渐变槽天线（TSA）进行交错组阵使得交叉极化电场分量相互抵消，从而大大改善了阵列在不同扫描角的交叉极化性能。利用印刷电路板的正反两面各放置一半的毫米波通道，从而给相邻通道留下了足够的电路以及屏蔽隔离的空间，降低了系统实现难度。15单元一维阵列的测试结果表明：该系统可以实现±50o区域内的波束扫描或多波束覆盖，且增益波动小于3dB。法向波束实测增益为18.3dBi，半功率波束宽度（HPBW）约为6o。同时，波束在不同角度的交叉极化性能均有一定改善。本章研究成果已在IEEE Trans. on Antennas and Propagation上发表。
第三章提出并实现了一种基于混合体制的T型阵雷达系统。该系统由一个垂直排列的一维发射相控阵和水平排列的一维数字多波束接收阵组成，分别实现俯仰面和方位面的波束扫描。整个系统共有15个发射通道和16个接收通道，发射阵列发射FMCW信号，频率范围为24.15-24.3GHz，带宽为150MHz。实测波束扫描结果表明，发射相控阵和接收数字多波束阵均可实现±40o的扫描。与M ×N二维平面阵列成像系统相比，射频通道数大幅减少。同时，基带实现更为简单，只需要进行一维数字波束合成，因为另外一维的波束合成已经由相控阵在模拟端完成。与文献中的基于时分(TDM)多输入多输出(MIMO)体制的T型阵雷达系统相比，由于本系统所有发射机同时工作，能够实现更大的等效发射功率，成像距离更远。本章相关研究成果已投稿至IEEE Trans. on Antennas and Propagation.
第四章针对DBF架构的77GHz汽车雷达应用，设计并实现了一种同时满足中距和远距雷达探测要求的基片集成波导（SIW）缝隙天线阵列。不同类型的探测雷达对视场（FOV）的要求不同，例如长距雷达（LRR）需要较窄的视场以及较高的天线增益，而中距雷达（MRR）需要较宽的视场以及较低的天线增益。本章提出的天线阵为6×16的二维SIW缝隙阵，其辐射方向图同时组合了LRR和MRR雷达天线的特点，整体呈“平肩膀”状。为了综合出特定的“平肩膀”方向图，本章采用了包含非线性拟合以及主动空间映射（ASM）的混合优化方法对于每个线阵馈电点的功率、相位进行优化。由于该方法可以考虑到线阵之间的互耦作用，一旦每个线阵的输入功率、相位确定，无需再在全波模型中进行优化。测试结果验证了仿真结果的正确性，实测阻抗带宽（|S11|<-10dB）为3.76%（75.6-78.5GHz），SIW中远距合一天线实测增益为21.7dBi。本章相关研究成果已在IEEE Trans. on Antennas and Propagation上发表。
第五章针对E-band宽带毫米波无线通信应用，提出了一种新型基于缝隙加载的贴片天线单元。通过在一个45o旋转的贴片中心蚀刻一道与贴片边缘平行的缝隙，来抑制不理想的正交辐射模式从而实现单一的45o极化。与传统45o极化（通过旋转馈线馈电）单元相比，本章提出的缝隙加载天线单元无需弯折馈线进行馈电，这不仅避免了可能的辐射泄露，同时还可以实现更高的相邻天线间隔离度。同时，可以通过改变加载缝隙的方向，在不改变天线位置的前提下在±45o极化之间来回切换。作为验证，本章共设计了三种基于缝隙加载的天线阵，包括1×8、2×8规模的45o极化天线阵以及1×8规模的±45o双极化天线阵。测试结果与仿真结果吻合良好，验证了设计的正确性。本章所提出的天线阵具有宽带（~10%）、低剖面（0.254mm~0.067λ0）、单层、加工成本低、结构简单、极化方式实现灵活等优点，适合各类宽带毫米波通信应用。本章相关研究成果已在IEEE UCMMT 2017和IEEE Trans. on Antennas and Propagation上发表。
第六章针对DBF架构的毫米波合成孔径雷达应用设计了一种新型余割四次方天线阵，并详细阐述了余割四次方天线概念以及实施原理。整体天线阵由12根1 ×6的串馈微带天线以及相应的功率、相位分配网络组成。为了实现这种特殊的方向图，本章采用非线性拟合和有源方向图法进行方向图的综合。综合过程中，我们将各个天线子阵端口的激励功率比限制为2的整数幂（2M, M=0-3），功率分配网络部分仅需要级联几种结构对称的等功率分配器单元即可实现。这样不仅简化功率分配网络的设计，同时提升了整体结构的可靠性以及对于加工误差的容忍度。作为验证，本章设计加工并测试了一种余割四次方天线阵列，测试结果与仿真结果相吻合，在23.8–25 GHz实现了较好的余割四次方辐射方向图。本章设计的余割四次方天线具有剖面低（~0.09λ0）、结构简单、紧凑、可靠性高等优点。本章相关研究成果已被IEEE Trans. on Antennas and Propagation录用，即将发表。
以上工作以第一作者在IEEE Trans. on Antennas and Propagation.上录用发表或投稿论文5篇，在国际会议发表论文2篇。同时申请发明专利6项，实用新型专利4项。
第一章针对77GHz汽车雷达和X波段长距监测雷达应用，设计并实现了两种基于接收数字多波束架构的调频连续波（FMCW）雷达前端。77GHz汽车雷达前端包含两个发射通道和六个接收通道，分别对应中距、长距雷达应用。雷达系统测试结果表明，有效检测距离可达170米。X波段雷达前端包含一个发射通道和六个接收通道，采用接收数字多波束架构。测试结果表明，该雷达可检测到约3-4km的运动车辆目标。
第二章提出并实现了一种基于直接数字频率合成器（DDS）的DBF发射系统。通过DDS将代表不同指向波束的加权系数直接在数字域进行矢量叠加，随后加载到各个通道中去，在远场上即可同时产生多个不同指向的波束。采用两种张角相反的渐变槽天线（TSA）进行交错组阵使得交叉极化电场分量相互抵消，从而大大改善了阵列在不同扫描角的交叉极化性能。利用印刷电路板的正反两面各放置一半的毫米波通道，从而给相邻通道留下了足够的电路以及屏蔽隔离的空间，降低了系统实现难度。15单元一维阵列的测试结果表明：该系统可以实现±50o区域内的波束扫描或多波束覆盖，且增益波动小于3dB。法向波束实测增益为18.3dBi，半功率波束宽度（HPBW）约为6o。同时，波束在不同角度的交叉极化性能均有一定改善。本章研究成果已在IEEE Trans. on Antennas and Propagation上发表。
第三章提出并实现了一种基于混合体制的T型阵雷达系统。该系统由一个垂直排列的一维发射相控阵和水平排列的一维数字多波束接收阵组成，分别实现俯仰面和方位面的波束扫描。整个系统共有15个发射通道和16个接收通道，发射阵列发射FMCW信号，频率范围为24.15-24.3GHz，带宽为150MHz。实测波束扫描结果表明，发射相控阵和接收数字多波束阵均可实现±40o的扫描。与M ×N二维平面阵列成像系统相比，射频通道数大幅减少。同时，基带实现更为简单，只需要进行一维数字波束合成，因为另外一维的波束合成已经由相控阵在模拟端完成。与文献中的基于时分(TDM)多输入多输出(MIMO)体制的T型阵雷达系统相比，由于本系统所有发射机同时工作，能够实现更大的等效发射功率，成像距离更远。本章相关研究成果已投稿至IEEE Trans. on Antennas and Propagation.
第四章针对DBF架构的77GHz汽车雷达应用，设计并实现了一种同时满足中距和远距雷达探测要求的基片集成波导（SIW）缝隙天线阵列。不同类型的探测雷达对视场（FOV）的要求不同，例如长距雷达（LRR）需要较窄的视场以及较高的天线增益，而中距雷达（MRR）需要较宽的视场以及较低的天线增益。本章提出的天线阵为6×16的二维SIW缝隙阵，其辐射方向图同时组合了LRR和MRR雷达天线的特点，整体呈“平肩膀”状。为了综合出特定的“平肩膀”方向图，本章采用了包含非线性拟合以及主动空间映射（ASM）的混合优化方法对于每个线阵馈电点的功率、相位进行优化。由于该方法可以考虑到线阵之间的互耦作用，一旦每个线阵的输入功率、相位确定，无需再在全波模型中进行优化。测试结果验证了仿真结果的正确性，实测阻抗带宽（|S11|<-10dB）为3.76%（75.6-78.5GHz），SIW中远距合一天线实测增益为21.7dBi。本章相关研究成果已在IEEE Trans. on Antennas and Propagation上发表。
第五章针对E-band宽带毫米波无线通信应用，提出了一种新型基于缝隙加载的贴片天线单元。通过在一个45o旋转的贴片中心蚀刻一道与贴片边缘平行的缝隙，来抑制不理想的正交辐射模式从而实现单一的45o极化。与传统45o极化（通过旋转馈线馈电）单元相比，本章提出的缝隙加载天线单元无需弯折馈线进行馈电，这不仅避免了可能的辐射泄露，同时还可以实现更高的相邻天线间隔离度。同时，可以通过改变加载缝隙的方向，在不改变天线位置的前提下在±45o极化之间来回切换。作为验证，本章共设计了三种基于缝隙加载的天线阵，包括1×8、2×8规模的45o极化天线阵以及1×8规模的±45o双极化天线阵。测试结果与仿真结果吻合良好，验证了设计的正确性。本章所提出的天线阵具有宽带（~10%）、低剖面（0.254mm~0.067λ0）、单层、加工成本低、结构简单、极化方式实现灵活等优点，适合各类宽带毫米波通信应用。本章相关研究成果已在IEEE UCMMT 2017和IEEE Trans. on Antennas and Propagation上发表。
第六章针对DBF架构的毫米波合成孔径雷达应用设计了一种新型余割四次方天线阵，并详细阐述了余割四次方天线概念以及实施原理。整体天线阵由12根1 ×6的串馈微带天线以及相应的功率、相位分配网络组成。为了实现这种特殊的方向图，本章采用非线性拟合和有源方向图法进行方向图的综合。综合过程中，我们将各个天线子阵端口的激励功率比限制为2的整数幂（2M, M=0-3），功率分配网络部分仅需要级联几种结构对称的等功率分配器单元即可实现。这样不仅简化功率分配网络的设计，同时提升了整体结构的可靠性以及对于加工误差的容忍度。作为验证，本章设计加工并测试了一种余割四次方天线阵列，测试结果与仿真结果相吻合，在23.8–25 GHz实现了较好的余割四次方辐射方向图。本章设计的余割四次方天线具有剖面低（~0.09λ0）、结构简单、紧凑、可靠性高等优点。本章相关研究成果已被IEEE Trans. on Antennas and Propagation录用，即将发表。
以上工作以第一作者在IEEE Trans. on Antennas and Propagation.上录用发表或投稿论文5篇，在国际会议发表论文2篇。同时申请发明专利6项，实用新型专利4项。