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主动补偿技术在可变相位阵列天线上的应用摘要集成电子设备组成的极薄天线结构，可提供更好的战术部署，更好地实现无人控制平台技术。此外，针对解决微小结构产生的机械失真引起辐射波瓣极大程度的退化问题，已经有了一些创新的算法。本文提出的技术可以很好的保证波瓣各个方向上的质量，同时实现对副波瓣的控制。该技术计算过程简洁，甚至可以用来提供极大天线阵列的相位实时补偿。目录i目录摘要...................................................................................................................................1第一章大型可展开天线的关键技术.............................................................................1第二章辐射波瓣的摄动.................................................................................................3第三章补偿技术.............................................................................................................5第四章结论...................................................................................................................11第五章参考文献...........................................................................................................13ii目录英文翻译1第一章大型可展开天线的关键技术电设备控制的天线质量，很大程度上依赖于辐射元素精确的周期位置。支撑诸多天线元素的平面结构的刚度，保证了天线的稳定性。刚性结构，通常是金属材料，避免了温度失真，但同时带来设计复杂，质量重，生产成本高等问题。柔性结构，可以实现结构的分段生产和安装，减少了调度运输等相关过程的费用。然而，结构刚度的降低，环境的变化会使系统产生极大的变形，导致机械失真。载荷包括环境温度载荷、风载、冰雪载荷等，振动包括风振、机械设备在平台上的旋转振动、船的摇晃振动等。主要的挑战包括在降低天线机械结构成本的同时，保证系统具有同等的功能水平。补偿变形影响的一种方法是，通过传感器对波信号的幅值和相位的反应，捕捉天线形状变化来修正全局辐射波瓣。这种方法中，天线是传感器实时测量绝对位移的仪器。传感器通过机械模型提供的数据，可以自动计算出来。另一种方法是把传感器的位置作为目标函数，实现阵列的自动校正。一旦得到所有的辐射源的真实物理位置，必须补偿它们对全局波瓣的影响。一些算法直接应用RF相位和振幅激励，能够实现对变形的天线恢复其高质量的波瓣。从简单的方法入手，我们基于光谱分析提出了一种新的并且更加稳健的算法，它花费少的计算时间展示了很好的结果。论文计划回顾几种不同的技术，用来降低因为设备处在辐射表面造成的退化现象。第二部分，计划列举一些可展开天线在系统中遇到的主要问题。然后，本文计划在第三部分介绍几种自动补偿机制的技术。我们一开始开发了一个相位自适应平台，然后提出一种基于相位幅值调整最小二乘法的方法，最终提出基于位移光谱分析的方法。在第四部分，文章会比较几种技术的补偿效率。文章最后总结了该方法适用的领域。2主动补偿技术在可变相位阵列天线上的应用英文翻译3第二章辐射波瓣的摄动天线的辐射波瓣显示了天线的准确性，还有抵抗干扰信号的能力。变形会导致不可控制波束偏斜，还有副波瓣的增加。因此，补偿的问题在于应用仪器或者自动调节知识给出天线形状，进而恢复到可接受的辐射波瓣。为了清楚说明，本文介绍几个常规的线性天线在平面上的公式。首先，考虑单个元素的复杂波瓣功能，因为它不受变形的影响。辐射波瓣是每一个元素在它们自己位置上的贡献总和。不考虑任何辐射表面的摄动，一个含N元素的线性天线的阵列因素是：其中，k是辐射波频率矩阵，an是第n个元素的相对复杂激励，d是传感器间的距离。理想元素激励的决定值an取决于特定的表现，比如一些给定的变量(方向、副波瓣或特殊波瓣的特性)已经被广泛的研究。这个方法对所有的激励法则都适用。因为变形相对于天线整个尺寸是微小的，我们仅仅考虑横截面的位移。如果记第n个传感器的横截面位移为zn，辐射波瓣公式变为：图像1展示了一个有20个阵列元间距为0.6波长的线性相阵列天线的横截面形状的例子。随机形状的最大振幅大约是0.25波长。图1天线在测试下的失真4主动补偿技术在可变相位阵列天线上的应用图像1的位移可以看做是动力学变形中的瞬态位移，图像2展示了被测天线在随机变形下没有任何补偿下的辐射波瓣。图2理想和失真辐射模式可以注意到，变形主要影响的是一个不可控制的波束偏斜和高出的副波瓣，变形甚至让主波瓣的增加有所减缓。波束偏斜包括发射和接收信号中波动相位的转换。这些直接影响了通过默认的杂乱抛弃测量的多普勒频率的转换。这些副瓣振幅的平均增加量是13dB，准确率大约是正负1度，这些都影响了天线在很多方面的应用。英文翻译5第三章补偿技术鉴于传感器获取变形的准确性，下一步考虑应用补偿算法来实现对理想波瓣的恢复。第一客观地讲必须是指向的准确性，然后是副波瓣的管理。基于相位自适应的补偿技术，第一次作为基线问题来介绍，然后比较更复杂的方法，基于最小二乘法或者光谱分析。3.1基于相位自适应的补偿天线最重要的约束是它的指向，相位必须精确到10-3弧度之下才能保证天线应用到雷达探物。最普通的补偿只是对偶然信号的客观重复，基本补偿只是准确地复原了主波瓣，但是副波瓣水平仍然高。一个辐射元的物理位移，可以很容易用一个简单的给定操纵方向来补偿。如果所有的原位移是已知的，那么可以在不考虑波动方面修正相位法则，应用了下面的激励：如果用修正的激励系数cn代替an，波瓣在天线指向上很好的恢复了，系统在指向的附近是理想的。图像3显示了天线补偿的结果。副波瓣平均提升是8dB。但是，从图像3上可以看到，远离副波瓣的修正量是不够的。6主动补偿技术在可变相位阵列天线上的应用这些波瓣被定义为周期性波瓣，因为一些不可控制的周期性变量应用到修正的约束中。除此之外，应用相位是对称修正的，但是波动可能只发生在指向角度的一边。要同时补偿所有独立方向上的变形影响，必须用更复杂的算法来实现。3.2基于最小二乘法的补偿最小二乘法一般用来解决确定的系统和优化问题。为了在我们的案例中实现它，准则是最小化理想辐射波瓣和天线区域有效的辐射波瓣的差别。可以增加一个对角线比重矩阵W，强化补偿角度。这个方法需要找到最合适的系数Cn使得E在下面的优化准则中接近于E0.最小二乘法是通过规划最优的相位和幅值激励法则cn实现的，用来最小化每一个方向，理想波瓣和传感器测量的变形波瓣的区别。辐射波瓣可以用两个矩阵来表示，一个是相位和幅值法则组成的，另一个包括了辐射元的位置和计算角度的大小。没有任何波动的辐射波瓣可以写成：可以用相同的标记符号来表示波动阵列：补偿系数可以通过下面的等式获得，写成矩阵符号为：其中MT为矩阵M的转置矩阵，a为理想系数，c为补偿系数。图像4展示了此方法在测试结果的形状。我们能看出，在近处和远处的天线英文翻译7指向均有理想的补偿。图4：基于平方拟合辐射模式与补偿修正激励的相位和幅值甚至可以对小的波动输入摄动出转换。限制出现于激励自动获取和幅值，还经常受实践的限制。这些表明本方法健壮性的缺失，下面通过相反问题理论的应用来介绍更复杂的最小准则。但是，最小二乘法需要大量的计算，这也限制了它在大型天线，尤其实在包含大量辐射元的特大型天线中的应用。3.3基于光谱分析的补偿为了建立更加健壮的补偿，这种基于小位移假设的新算法，实现了变形的光谱分析来匹配复杂激励系数的FFT，可以同时减缓所有方向上的辐射波瓣。通过对具有n个辐射元的线性天线失真光谱的捕捉，此方法恢复了N个两侧指向角度内的辐射波瓣，同时极大地缩短了计算时间。补偿证明的第一步是线性化，对于小的位移，线性化变形天线辐射波瓣的摄动来表达复杂激励摄动的形式。第二步是反向摄动来获得有效的修正量。运用小位移假设，可以将理想的函数和摄动区分开来。如果应用系数an到阵列，我们得到公式：。。。理想的波瓣可以有不同的形式，假设zegma是a的快速傅里叶转换，我们可以得到公式：8主动补偿技术在可变相位阵列天线上的应用函数U是基本的辐射波瓣，其中所有的激励等于1，并且指向为Um，当U=Um时，该函数取得最大值。我们假定每一方面的加和中，U无限接近Um。所以，非线性摄动的形式，可以根据理想的波瓣形式和每一个光谱补偿的摄动量得到。E(u)的表达式为应用反向FET得到光谱摄动量在每一个天线元的E因此，摄动量将系数an转化为bn。我们还必须找到修正激励Cn，那样才能将Cn转化为理想的系数an。通常，在相位和幅值上的小摄动量要线性化：图像5为该种补偿的辐射波瓣，可以看到误差仅仅发生在限定的角度。事实上，该可控角度通常是在正负一个波长之间。如果远端副波瓣的提高很重要，调整阵列元之间的距离，可以将角度的最大值保证在可视范围之外。图5基于特殊分析的辐射模式与补偿英文翻译9可以看到此方法的结果和最小二乘法相似，但是因为它仅仅需要两个FFT，所以计算变得简单，在补偿方面更加稳定可靠。最后的这个方法，甚至可以对极大的频率到1kHz的二维天线阵列进行实时的补偿评估。据调查，这样的结果在天线领域还没有报道。本文涉及的几种补偿，点的准确性都得到恢复。图像6显示了平均副波瓣的水平和理想的测试水平间的比较。图像还显示了在变形的最大幅值方面，有和没有补偿的结果比较。在图像6上，可以观察到有20个阵列元的天线，如果没有补偿很快就没有了天线功能。图6相比于理想图表旁瓣的平均提高简单的相位调整，只能缓和失真的一小部分。而最小二乘法和光谱分析法，可以在很大程度上减少副瓣的失真，减少的幅度为12dB，对于随机移动可以到半个波长幅度。对于现实的天线设计，通过图像5对理想目标形状的比较，副波瓣的水平是可以接受的。本文提到的技术可以为更复杂天线，在有效运作范围副瓣水平补偿做一定的铺垫。比如，对于4dB的光线，也就是副瓣水平在-31dB，从图像6中可以看出，在没有任何补偿技术下，它的最大失真幅值预测为0.05个波长。第一种基于相位适应的补偿，可以将失真控制到0.1个波长。而最后这两个基于最小二乘法和光谱分析法的算法，可以减小失真到0.3个波长，也就是幅值误差比没有补偿的时候减小了6倍，同时保证了光学精度。需要强调的是，对于大的幅值失真(也就是大于一个波长)，光谱分析算法的效率会低于最小二乘法。事实上，在这种情况下，对于光谱分析中小位移的假设已10主动补偿技术在可变相位阵列天线上的应用经失效。在小于一个波长的幅值下，这两种算法没有很大的差别。本文涉及的补偿技术，已经和随机形状下的失真作了比较。考虑机械方面的实现可以增加补偿的能力，这是后面应该进行的工作。英文翻译11第四章结论本文提到了在电子设备驱动的阵列天线中，用于减少机械失真的新的补偿技术，它可以在不考虑系统影响下，很有效的对所有方向上的辐射波瓣实现重建。接下来的几个月内，作者将会对稳定性和优化准则做相应的研究和展示。对于电子设备主动控制的阵列天线，激励准则的修正可以由模型得到。对于数字天线，失真可能更小。第一种补偿方法可能完全成为一种额外的补偿方式，用来消除无法控制方向的残余噪音。12主动补偿技术在可变相位阵列天线上的应用英文翻译13第五章参考文献[1]R.J.Mailloux,“Phasedarraytheoryandtechnology”,P