基于二阶锥优化方法的MIMO阵列发射方向图设计

由于MIMO 阵列发射方向图通常是由期望方向图优化出信号协方差矩阵来实现,其方法运算量大且算法性能依赖参数选取等。该文提出利用基于二阶锥优化(second-order cone programs)方法的主瓣宽度约束条件下最低旁瓣波束形成构造出一组较低旁瓣的基波束,在集中式MIMO阵列的任意发射方向图可以由一组基波束合成的基础上,应用线性规划方法快速求解出构成发射方向图的基波束的比例系数。该方法设计的方向图具有更低的旁瓣和更加平滑的主瓣指向,仿真结果证实了方法的有效性。     

一种改进的阵列天线方向图主波束快速赋形算法

改进的基于自适应天线阵理论的主波束赋形快速算法,可对任意阵列快速完成主波束赋形和旁瓣电平的控制.该算法通过局域权函数的迭代来减小综合方向图和期望方向图在主波束上的差别,旁瓣电平的控制可以通过在旁瓣峰值区域处加干扰来快速达到.该方法对主波束方向、宽度、形状和增益的控制非常成功.给出了一些算例说明这种算法的有效性.     

一种对任意线阵天线的主波束赋形方法

基于自适应天线阵理论,给出了一种用于任意线阵天线的主波束赋形算法.该方法通过迭代获得一组最优权值,用来减小加权赋形方向图和期望方向图在主波束上的差别,同时将旁瓣电平降低到期望值.一些算例充分说明了这种算法的有效性.该算法可以有效的控制主波束方向、宽度、形状和旁瓣电平.     

数字波束方向图综合技术

数字波束形成技术充分利用了阵列天线所检测到的空间信息,可以获得超分辨率和低副瓣的性能、实现波束扫描和波束赋形等。提出一种基于线性约束最小方差波束形成算法的方向图综合算法,算法通过迭代运算,能够获得需要的方向图形状。算法仿真以降低由24个天线单元组成的均匀圆阵的方向图副瓣为例,通过3次迭代运算,将副瓣电平降至-40dB左右,满足了工程需要,说明算法是有效、可行的。     

卫星阵馈反射面赋形波束天线的一种高效旁瓣抑制方法

为了使卫星阵馈反射面赋形波束天线具有尽可能低的旁瓣电平,以降低日益增多干扰的影响,传统的波束赋形方法往往需要对约束点的数量和位置进行反复调整,故非常烦琐.因此本文在阵馈反射面天线的频域方向性相乘原理的基础上,提出了一种高效的旁瓣抑制方法,即在计算最佳激励系数时使用宽度较窄的点波束,而在计算赋形波束方向图时使用实际的点波束.由于这种方法通常只需要对少量约束点的位置进行调整,所以它可以高效地获得低旁瓣电平、高精度的赋形波束.     

低副瓣任意波束直接合成算法研究

在传统阵列天线波束赋形设计中，通过对阵元天线辐射方向图进行幅度相位加权，获得阵列合成方向图.通常阵元激励幅度相位权值的获取，取决于优化算法对目标方向图和阵列合成方向图的对比，通过对阵元激励幅度相位进行大量随机选参后，获得优化结果.由于算法通常是基于相关的阵元方向图，且算法中缺乏副瓣抑制机制，使得方向图合成效率不高且副瓣效果通常不理想.该文设计了一种任意波束直接合成算法.该方法首先在阵元方向图的基础上获得一组互相独立的高增益窄波束（自由基波束），然后基于此波束进行方向图的直接合成，使波束赋形问题统一到基于自由基波束权值运算的范畴内，对波束赋形问题进行了统一，避免了未知参量的随机优选过程，极大提升了阵列天线波束赋形设计的效率.同时在自由基设计的过程中结合了副瓣抑制机制，且这种副瓣抑制机制与波束赋形过程互相独立，使合成波束的副瓣天然地具备了低副瓣的特征.     

基于粒子群算法的天线阵方向图优化

雷达阵列天线常涉及方向图综合,而天线阵综合常常是利用优化算法优化单元幅相及间距等参数的过程。粒子群算法具有理论简单、参数少和易于实现等特点,文中基于这一简单易行的优化算法,给出一种阵列天线赋形波束综合方法。通过优化阵列天线中各单元的馈电幅度和相位同时实现主瓣的赋形和副瓣电平的抑制,或通过仅相位加权实现主瓣波束赋形,得到优良的余割平方赋形。通过实例设计验证了粒子群算法优化天线阵方向图的有效性。     

用傅氏变换迭代综合天线方向图

本文提出,将傅氏变换和迭代算法结合起来综合天线方向图,并在理论上证明这个方法的有效性。在容许适当牺牲旁瓣电平的条件下,本方法不仅可用于方向图的模数的赋形,并可同时对它的相位赋形。当天线孔径较小,且赋形的波束又较窄时,这个方法是很有效的。     

针对主瓣波动的阵列赋形方向图设计

赋形方向图设计在阵列雷达中有重要应用,本文针对现有方法所设计波束主瓣存在波动的情况,提出一种最大匹配误差最小化的方向图设计方法。首先基于方向图匹配模型,从优化的角度对迭代FFT方法进行了分析;建立了方向图最大匹配误差最小化模型,并采用序列二次规划对发射权向量的相位进行优化;最后对余割平方的赋形方向图和展宽波束进行了实验仿真,对相控阵体制和MIMO体制下设计的方向图进行了比较,以迭代FFT所设计的方向为初始点,然后采用最大匹配误差最小化的方法对波束主瓣波动进行抑制。仿真结果说明了算法的有效性。     

宽带星载DBF相控阵天线设计与实现

针对低轨卫星通信天线波束"等通量"覆盖的赋形要求,采用遗传算法对天线阵列进行了多目标平衡优化综合.根据SHA阵和波束覆盖的空间旋转对称性,在波束空间和阵元空间内进行阵元分组,将波束形成矩阵自由度降为1/3,简化了遗传算法参数数量,为波束形成因子复用奠定基础.针对16波束宽带输入,利用DFT滤波器组、复用式波束形成网络、单音闭环校正等算法设计了分布式数字波束形成器和幅相校正单元,运算量降为原来的4.5%,节省硬件资源80%.最后首次完成了16波束61阵元星载DBF相控阵天线样机的研制,暗场测试结果表明波束增益达到等通量覆盖要求,验证了以上算法和工程设计的正确性与有效性.     

可重构全息超表面辅助卫星通信关键技术

超密集低地球轨道卫星通信网络能弥补传统地面网络频谱资源稀缺、覆盖范围有限的不足,有潜力提供全球大规模接入的高速率服务。由于卫星的高速移动性,卫星通信对天线性能,如波束控制能力和天线增益等,也提出了更为严苛的要求。因此,对一种新型的超材料天线——可重构全息超表面（reconfigurable holographic surface,RHS）辅助卫星通信展开了研究。RHS采用全息原理对超材料单元进行电控,从而实现波束成形。基于 RHS 的硬件结构和全息工作原理,提出了一种 RHS 辅助多卫星通信方案,该方案同时考虑卫星跟踪和数据传输。同时,设计了全息波束成形优化算法以最大化和速率。仿真结果验证了所提方案的有效性并表明了相较于传统相控阵天线,RHS提供了一种成本效益更高的卫星通信支持方式。     

一种考虑反向缝的全球低轨卫星通信系统的波束排布方法

针对全球低轨卫星通信系统的动态性引起的反向缝区域覆盖问题,采用辐射场到地球覆盖区的转换方法,仿真分析了单个卫星服务区为圆形、椭圆和矩形时的全球覆盖情况,并采用椭圆子波束排布对椭圆和矩形的卫星覆盖进行了分析。结果表明,在不增加波束个数的前提下,采用波导缝隙阵的长椭圆子波束,单个卫星矩形覆盖可以有效解决卫星反向缝区域无法完全覆盖的问题。通过对多星影响下的载干比统计方法进行分析,得出这种卫星波束排布方法满足卫星通信的要求,为低轨卫星的天线波束设计提供了理论参考。     

基于相位赋形的方向调制信号综合方法研究

方向调制技术采用多天射阵列在天线端综合出具有方向特性的数字调制信号,是近年来物理层安全通信领域研究的热点之一。现有方向调制信号综合算法主要基于遗传算法和矢量法,但由于不同文献研究的通信系统模型不同,基于这两种算法的方向调制信号应用都具有一定的局限性。该文从窃听接收机所在的非期望方位接收方向调制信号星座点之间的相对相位关系产生畸变这一方向调制信号物理层安全本质出发,提出一种基于相位赋形的方向调制信号综合算法。首先根据不同的通信模型建立期望的相位波束空间覆盖函数,然后对期望的赋形相位波束采用空间傅里叶变换得到发射阵列的加权值。仿真结果表明该文提出的方向调制信号综合算法适用于笔形相位波束单用户信道、扇形相位波束的广播信道和多用户正交信道等不同的通信应用场景,为方向调制信号在不同通信场景中的应用提供技术支撑。     

期望主瓣响应下任意阵方向图综合方法

为实现任意阵列天线的方向图综合,特别是考虑到不同空间指向对阵列方向图的影响,提出自适应原理与凸优化理论相结合的方向图综合法.该方法首先利用自适应原理综合法得到所需阵列方向图的旁瓣特性;而后,选择零度角的方向图主瓣作为期望主瓣;最后,在该期望主瓣响应下,将阵列方向图综合问题转化为二阶锥规划问题.采用凸优化循环迭代算法,完成对非凸优化问题的求解,从而保证方向图在满足期望主瓣响应的同时,使旁瓣特性与自适应方向图综合方法得到的结果最接近.理论分析与仿真结果表明,综合后阵列方向图在不同空间指向上具有与期望主瓣一致的主瓣特性,且其旁瓣也能够很好地保持对动态干扰的抑制特性.     

卫星多波束天线不规则馈元阵形赋形的研究

本文着重研究了卫星多波束天线馈元阵的形状对赋形的影响.首先证明了常用的通用阵形中存在着对赋形没有贡献的冗余馈元,进而提出采用没有冗余馈元的不规则阵形来赋形以减小馈元数量的思路,并进一步证明了不规则阵和相应的规则阵在同样条件下,用同一种赋形算法,有着同样的赋形效果,最后给出了由通用规则阵得到相应不规则阵的简单而有效的方法.     

The impact of satellite altitude on the performance of LEOS based communication systems

Low earth orbit satellite (LEOS) systems promise to provide global communication, including voice and data services from Iridium and high capacity broadband services from Teledesic. In design of LEOS systems, the choice of satellite altitude is an important consideration, which has a significant impact on system performance. Among the factors affected by satellite altitude choice are system capacity, user‐to‐user delay, power system design and communication services that can be offered. This paper analyzes the effects of satellite altitude on quality of service, frequency reusability and power system sizing. It is found that a choice of low altitude has a positive impact on system capacity and power system requirements. As a consequence, satellite mass and launch cost can be reduced for satellites in lower orbits due to the lower power requirements. In terms of user‐to‐user delay, the results are in favor of medium altitudes, while very high altitudes are not a good choice relative to these measures. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

LEO卫星通信系统覆盖时间和切换次数分析

针对近地轨道(LEO)卫星移动通信系统,该文提出一种分析不同用户覆盖时间及切换次数的方法。在充分考虑地面用户随机分布特性的基础上,建立了卫星和波束对随机用户的覆盖时间统计模型,推导了星间切换及波束间切换平均次数下限值的计算方法。最后通过铱星通信系统模型(包括铱星星座参数,地面站参数和阵列天线波束模型)对该方法进行了仿真分析,结果显示该方法能很好地近似用户随机覆盖时间统计特性及平均切换次数的下限值。     

OFDM系统智能天线设计中的波束综合算法

基于自适应天线阵列理论。提出了一种新的可以应用于任意类型天线阵列的波束综合算法。根据与给定的参考波束的误差。引入虚拟干扰的概念，对目标波束图形状进行调整。应用本文提出的新算法，在主瓣和旁瓣位置都可以对波束进行有效的调节。最终获得阵列的最优权矢量，能够最小化目标波束图与参考波束图间的差异。理论分析与仿真结果表明与现有的同类算法相比，本算法能更有效地获得与参考波束基本相符的波束。在设计应用于OFDM智能天线系统时，通过对不同子载波频率上信号进行单独处理，利用该算法．进行波束综合，能够在整个有效频段，所有子载波上获得基本一致的阵列输出。     

On the optimal synthesis of sparsely thinned planar array antenna with constraints using meta-heuristic optimization

The investigations related to the planar antenna array have attracted much attention due to their vast applications in the areas of advanced wireless communication and electromagnetics. This article presents an effective synthesis method of a sparsely thinned symmetric planar antenna array using three well-known meta-heuristics including symbiotic organism search (SOS) algorithm, moth fly optimization (MFO), and multi-verse optimization (MVO) algorithms. The main aim of this work is to optimize the positions of the switched-on antenna elements on the array aperture in order to reduce the value of side-lobe levels in the radiation field pattern in multiple planes for a desired first null beam width and subsequently to obtain the maximum reduced number of array-elements in the antenna array. Two different cases are performed to optimize the radiation pattern in different azimuth angles with two different examples. The proposed methods can constrain the total number of array elements, inter-element distance, and aperture area of the array. The radiation pattern characteristic and computation time linked with each example and each algorithm are recorded and compared with each other as well as with a fully populated planar symmetric rectangular array antenna of same aperture size for arriving at the conclusion. The simulation-based results demonstrate the effectiveness of the proposed design and the efficiency of the performance using the SOS algorithm.     

液晶光学相控技术在卫星通信多接入中的应用

在空间激光通信、组网过程中,为了能够实现一颗卫星终端对多颗卫星终端的物理光束接入,从而使得一颗卫星能与多颗卫星实现数据分发、路由、交换等组网功能,对卫星激光通信捕跟过程中存在的多终端物理接入方法进行了研究。在基于液晶光学相控阵多波束生成能力和多波束赋形的理论基础上,设计了一种新型的多终端接入方法。该方法的核心是利用液晶光学相控阵的多波束生成与控制能力实现对多个终端的接入。对光束在远场光斑的位置信息以及接入过程中的衍射效率和能量损耗情况进行仿真来验证该方案是否满足空间激光通信终端接入要求。仿真结果发现接入过程中的衍射效率大于80%,能量损耗小于1 dB,表明该方案有效可行。