唐 玥　毛 天　江 冰

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 常州 213022）

多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列天線的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

唐 玥毛 天*江 冰

（河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 常州 213022）

稀布陣列天線具有簡化陣列結(jié)構(gòu)、降低系統(tǒng)成本的優(yōu)點(diǎn)，基于數(shù)字波束形成的稀布陣列天線技術(shù)獲得了廣泛地關(guān)注。基于作者所提出的多分辨率復(fù)合陣列天線技術(shù)（MRCA），該文設(shè)計(jì)了一個多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列天線，并應(yīng)用該陣列天線來進(jìn)行單目標(biāo)和雙目標(biāo)檢測實(shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明：與傳統(tǒng)的均勻直線陣列天線相比，在相同的陣列天線單元數(shù)目的情況下，多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列天線可以得到更窄的主波瓣和更低的副瓣，增強(qiáng)了陣列天線系統(tǒng)的方向性，提高了角度分辨率。

稀布陣列天線；多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列天線；目標(biāo)檢測

引用格式：唐玥，毛天，江冰.多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列天線的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)，2016，5（3）：265-270.DOI：10.12000/JR16005.

Reference format：Tang Yue，Mao Tian，and Jiang Bing.Design and experiment of multi-resolution composite digital array antenna［J］.Journal of Radars，2016，5（3）：265-270.DOI：10.12000/JR16005.

1　引言

目前，智能天線的核心技術(shù)之一是數(shù)字波束形成技術(shù)。數(shù)字波束形成技術(shù)具有精度高、可編程、可重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)［1］，可以在數(shù)字領(lǐng)域內(nèi)動態(tài)地形成所需的各種波束［2］。在認(rèn)知無線電領(lǐng)域，已有學(xué)者將數(shù)字波束形成技術(shù)用于各處，例如干擾控制［3］、最大化信道容量［4］、SINR均衡［5］等。

相對于已被廣泛研究的稀布陣列天線模型，基于多個天線子陣輸出信號合成的復(fù)合稀布陣列天線模型能獲得較高的稀疏率和較低的旁瓣，其在雷達(dá)系統(tǒng)中的運(yùn)用與研究獲得了越來越多的關(guān)注［6，7］。其中，比較經(jīng)典的是由D.G.Tucker介紹的基于兩個天線子陣的輸出信號相乘的乘法陣列（MultiplicativeArray，MA）技術(shù)［8］。MA技術(shù)最初應(yīng)用于射電天文偵測，后被廣泛應(yīng)用在方向圖特定方向上形成極窄的零點(diǎn)［9-11］。L.C.Stange和C.Metz等人第1次將MA技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)大孔徑稀布陣列天線數(shù)字波束雷達(dá)，在維持一定的雷達(dá)成像效果前提下，相較于傳統(tǒng)天線陣削減了很多天線單元，極大地降低了數(shù)字波束雷達(dá)的成本和系統(tǒng)復(fù)雜性［12］。盡管如此，基于MA的數(shù)字波束雷達(dá)存在著多目標(biāo)分辨能力不足的缺點(diǎn)，這極大地限制了其在數(shù)字波束雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用。

與MA技術(shù)相比，本文所提出的基于多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列（Multi-Resolution Composite digital Array，MRCA）天線技術(shù)在同等指標(biāo)下能更多地減少陣列天線單元的數(shù)目，節(jié)約了成本；或者在相同陣列天線單元數(shù)下取得更寬的多目標(biāo)分辨區(qū)域，提高了角度分辨率。

除了單一頻率或頻段前提下的復(fù)合稀布陣列天線模型，基于多個天線子陣不同頻率或頻段輸出信號的復(fù)合稀布陣列天線方法也受到重視［13］。通過對稀疏陣列天線子陣在不同頻率信號下形成的數(shù)字波束方向圖進(jìn)行方向圖綜合的方法，有效地降低了該稀疏陣列天線的副瓣。此外，該復(fù)合稀布陣列天線的子陣波束寬度也被用于抑制稀疏全陣的遠(yuǎn)區(qū)柵瓣和副瓣，十分適合航空或航天等空間有限前提下的雷達(dá)應(yīng)用。由于不需要昂貴的多頻段收發(fā)組件，本文所介紹的MRCA更加適用于低成本高方向性雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域。

2　多分辨率復(fù)合陣列天線技術(shù)及其設(shè)計(jì)

2.1多分辨率復(fù)合陣列天線技術(shù)

MRCA技術(shù)的基本原理就是運(yùn)用不同半功率波束寬度（Half Power Beam Width，HPBW）的數(shù)字波束來掃描整個空域，然后通過數(shù)字波束形成，合成窄波束，能夠不以方向圖變壞為代價(jià)獲得高稀疏率。MRCA的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以由位于一條直線上的一個半波長均勻子陣和數(shù)個均勻稀疏子陣結(jié)合而成。所有這些子陣都是對稱結(jié)構(gòu)，并且它們的相位中心位于MRCA的中心［14，15］。每個子陣都單獨(dú)進(jìn)行數(shù)字波束形成，而復(fù)合陣列的高分辨率和柵瓣抑制是通過所有子陣的數(shù)字波束形成結(jié)果相乘而獲得的。

圖1　MRCA結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of MRCA

為了保證高角分辨率和高稀疏率，第1級子陣應(yīng)具有較大的孔徑和較少的單元數(shù)。為了獲得寬角度的偵測范圍，最后一級子陣應(yīng)該在整個觀測角范圍抑制柵瓣。因此，第1級子陣為大孔徑稀疏均勻直線陣，最后一級子陣為半波長單元間距的小孔徑均勻線性陣列，其他子陣為介于兩者之間的稀疏均勻直線陣。每個子陣的孔徑和單元間距的選擇將影響復(fù)合陣列天線的方向圖性能和波束掃描范圍，其具體設(shè)計(jì)方法將于下一節(jié)介紹。

2.2多分辨率復(fù)合陣列天線的設(shè)計(jì)

多分辨率復(fù)合陣列天線的設(shè)計(jì)過程是從第1層到第Q層的，設(shè)計(jì)步驟如圖2所示。

圖2　MRCA的設(shè)計(jì)步驟Fig.2 Design steps of MRCA

該陣列的單元間距d1取決于最大多目標(biāo)鑒別角θm［15］，由式（2）給出：

因此，第1層陣列的單元個數(shù)N1可以由式（3）給出：

其它層的陣列，單元數(shù)目Nq應(yīng)該首先給出，并且至少大于3，不同的Nq將影響整個MRCA的數(shù)目。

步驟2 第q（q≥2）層的角分辨率ψq要比q-1層的最大多目標(biāo)鑒別角θq-1?。?/p>

如果設(shè)定第q層陣列的角分辨率為ψq=0.5θq-1，那么第q層的陣列孔徑Lq和單元間距dq可分別由式（5）和式（6）給出：

上面提及的多分辨率天線陣列設(shè)計(jì)方法是較為簡便的人工設(shè)計(jì)方案，并不是最佳設(shè)計(jì)方法。盡管如此，在陣列天線層數(shù)較少時(shí)，該人工設(shè)計(jì)方案比較容易得到符合設(shè)計(jì)要求的多分辨率陣列天線結(jié)構(gòu)，并依此來搭建陣列天線，測試和驗(yàn)證多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列天線理論。

3　多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列天線實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及仿真

根據(jù)2.2節(jié)所描述的多分辨率復(fù)合陣列的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)好了多分辨率復(fù)合陣列中每一層子陣天線單元的數(shù)目以及天線單元之間的間隔。實(shí)驗(yàn)中采用的多分辨率復(fù)合陣列天線參數(shù)的設(shè)置和空間分辨率如表1所示，為與其作對比，具有相等天線單元數(shù)量的半波長均勻直線陣列天線的參數(shù)與空間分辨率也在表1中給出。

表1　ULA和MRCA陣列結(jié)構(gòu)配置表Tab.1 Configuration table of ULA and MRCA array

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的空間分辨率為小于8°，因受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，只設(shè)計(jì)了具有3層子陣的MRCA，每一層子陣包含了5個接收天線單元。因所有子陣的相位中心都位于MRCA的中心，所以位于相位中心的天線單元被3個子陣重復(fù)使用，即實(shí)驗(yàn)中實(shí)際采用天線單元數(shù)為13個。因此本實(shí)驗(yàn)中作為對比的半波長均勻直線陣列天線（Uniform Linear Array，ULA）單元數(shù)也為13個。

圖3　數(shù)字波束形成結(jié)果Fig.3 Digital beamforming results

圖3（a）為13單元半波長間距ULA波束形成仿真結(jié)果。圖3（b）為MRCA每一層子陣波束形成仿真結(jié)果，從圖3（b）中可以看到，第1層子陣產(chǎn)生的波束圖主瓣最窄，柵瓣數(shù)量最多，是因?yàn)槠涮炀€單元之間的間距比較大（d=4λ）。第2層子陣產(chǎn)生了數(shù)目較少的柵瓣，因?yàn)槠涮炀€單元之間的間隔相對于第1層較?。╠=1.5λ）。第3層子陣產(chǎn)生的波束圖主瓣較寬，沒有產(chǎn)生柵瓣，其天線單元之間的間隔為半個波長（d=0.5λ）。仿真和下文的實(shí)驗(yàn)過程中，MRCA每一層子陣和ULA的波束形成中均采用了副瓣電平為-30 dB的切比雪夫加權(quán)系數(shù)，該加權(quán)系數(shù)通過輸入天線單元數(shù)和目標(biāo)副瓣，按切比雪夫加權(quán)系數(shù)算法計(jì)算獲得。

這3層子陣的方向圖相乘后產(chǎn)生的MRCA陣列方向圖與相同天線單元數(shù)的ULA作比較，其結(jié)果如圖3（c）所示。當(dāng)天線單元個數(shù)相同時(shí)，MRCA產(chǎn)生的波束圖的主波瓣寬度遠(yuǎn)小于ULA，并且二者都沒有產(chǎn)生柵瓣，說明了在天線單元數(shù)相同的情況下，基于MRCA的數(shù)字波束系統(tǒng)具有更高的角度分辨率。相對于傳統(tǒng)的均勻直線陣列，基于多分辨率復(fù)合陣列技術(shù)能夠提高數(shù)字波束系統(tǒng)的角度分辨率。

3.2實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證系統(tǒng)框圖如圖4所示。硬件系統(tǒng)包括一臺E5071C型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），一臺裝有l(wèi)abview和matlab軟件的筆記本電腦，兩個相同的X波段錐形喇叭天線（一個作為發(fā)射天線，一個作為接收天線），兩個角反射器（實(shí)驗(yàn)過程中充當(dāng)目標(biāo)），兩根電纜。整個實(shí)驗(yàn)的硬件系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。筆記本電腦通過通用接口總線（General Purpose Interface Bus，GPIB）與網(wǎng)絡(luò)分析儀相連，在電腦上使用labview程序控制網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射的電磁波信號的頻率和帶寬，使用matlab程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)分析儀的Tx端和Rx端通過兩根電纜分別與兩個喇叭天線相連接。

圖4　MRCA數(shù)字波束系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)框圖Fig.4 Verification system figure of MRCA digital beam system experiment

圖5　MRCA數(shù)字波束系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)硬件系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Hardware system figures of MRCA digital beam system experiment

本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)分析儀的Tx端發(fā)射信號的掃描頻率為5.0～5.5 GHz，信號頻率的帶寬為0.5 GHz，信號經(jīng)過發(fā)射天線放大后發(fā)射出去，接收天線接收來自角反射器反射回來的回波信號。記錄的S21數(shù)據(jù)不僅可以用來確定目標(biāo)的距離，還可以用來做數(shù)字波束形成處理。電腦通過labview來控制整個實(shí)驗(yàn)過程。由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)過程是固定目標(biāo)和發(fā)射天線不動，移動接收天線，將天線在不同位置接收到的信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號存儲起來，最后通過數(shù)字波束形成的方式獲得陣列天線的方向圖。

首先，進(jìn)行單個目標(biāo)精確定位實(shí)驗(yàn)。當(dāng)放置一個目標(biāo)在90°，3.6 m時(shí)，MRCA每一層子陣的檢測結(jié)果與執(zhí)行數(shù)字波束形成后的檢測結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，第1層和第2層子陣對單個目標(biāo)進(jìn)行檢測時(shí)，均出現(xiàn)了假目標(biāo)。而第3層子陣檢測時(shí)，沒有出現(xiàn)假目標(biāo)，但由于該層子陣角度分辨率較低，無法對目標(biāo)精確定位。經(jīng)過子陣綜合處理后，能夠清楚地得到單個目標(biāo)的距離和角度信息，并且消除了假目標(biāo)，說明基于MRCA的數(shù)字波束系統(tǒng)能夠使用相同的天線單元獲得更精確的單個目標(biāo)位置信息。

然后進(jìn)行等距離雙目標(biāo)角度分辨實(shí)驗(yàn)。當(dāng)兩個目標(biāo)分別被放置在87°和93°時(shí)（4.8 m），MRCA每一層子陣的檢測結(jié)果與經(jīng)過數(shù)字波束形成（Digital BeamForming，DBF）處理后的檢測結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，第1層和第2層子陣對兩個目標(biāo)進(jìn)行檢測時(shí)，均出現(xiàn)了假目標(biāo)。當(dāng)?shù)?層子陣進(jìn)行檢測時(shí)，無假目標(biāo)，但由于該層子陣的角度分辨率較低，無法區(qū)分這兩個目標(biāo)。但是通過子陣綜合處理后，消除了假目標(biāo)并區(qū)分這兩個目標(biāo)，說明了基于MRCA數(shù)字波束雷達(dá)能夠使用相同的天線單元區(qū)分近距離內(nèi)的少量目標(biāo)。

圖6　基于MRCA數(shù)字波束系統(tǒng)的單目標(biāo)檢測結(jié)果Fig.6 Detection result single target based on MRCA digital beamforming system

圖7　基于MRCA數(shù)字波束系統(tǒng)的雙目標(biāo)檢測結(jié)果Fig.7 Detection result double targets based on MRCA digital beamforming system

4　結(jié)束語

本論文研究的是多分辨率復(fù)合數(shù)字陣列天線的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。相較于傳統(tǒng)方法，本文所提出的方法既提高了系統(tǒng)的分辨率，又減小了系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度。本文首先根據(jù)多分辨率復(fù)合陣列天線的理論模型，設(shè)計(jì)符合指標(biāo)要求的陣列天線；其次搭建基于該多分辨率復(fù)合陣列天線的驗(yàn)證系統(tǒng)；最后，完成了對單目標(biāo)和等距離雙目標(biāo)角度的檢測與分辨。通過硬件實(shí)驗(yàn)和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

［1］王峰，李婧，劉俊，等.寬帶數(shù)字陣?yán)走_(dá)數(shù)字波束形成系統(tǒng)研究［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)，2013，2（3）：314-318.Wang Feng，Li Jing，Liu Jun，et al..System realization of broadband digital beam forming for digital array radar［J］.Journal of Radars，2013，2（3）：314-318.

［2］李學(xué)仕，孫光才，邵鵬，等.基于數(shù)字陣列雷達(dá)的同時(shí)多模式SAR成像體制研究［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)，2014，3（4）：480-489.Li Xue-shi，Sun Guang-cai，Shao Peng，et al..Investigation on multimode SAR imaging based on digital array radar［J］.Journal of Radars，2014，3（4）：480-489.

［3］Yiu S，Vu M，and Tarokh V.Interference and noise reduction by beamforming cognitive networks［J］.IEEE Transactions on Communications，2009，57（10）：3144-3153.

［4］Luan Tian-xiang，Gao Fei-fei，Zhang Xian-da，et al..Rate maximization and beamforming design for relay-aided multiuser cognition networks［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2012，61（4）：1940-1945.

［5］Cumanan K，Musavian L，Lambotharan S，et al..SINR balancing technique for downlink cognitive radio networks［J］.IEEE Signal Processing Letters，2010，17（2）：133-136.

［6］胡航，鄧新紅.子陣級平面相控陣SDBF的旁瓣抑制技術(shù)方法［J］.電科科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（1）：201-205.Hu Hang and Deng Xin-hong.Sidelobe suppression method for ADBF at subarray level with plannar phased array［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（1）：201-205.

［7］侯穎妮，李道京，尹建鳳，等.基于稀布綜合孔徑天線的艇載成像雷達(dá)研究［J］.電子學(xué)報(bào)，2008，36（12）：2377-2382.Hou Ying-ni，Li Dao-jing，Yin Jian-feng，et al..Airship imaging radar based on aperture synthesis of thinned array［J］.Acta Electronica Sinica，2008，36（12）：2377-2382.

［8］Welsby V G and Tucker D G.Multiplicative receiving arrays［J］.Journal of the British Institution of Radio Engineers，1959，19（6）：369-382.

［9］MacPhie R H and Yoon T H.Grating lobes suppression with a thinned multiplicative receiving array［C］.Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings，Suzhou，China，2005：3-4.

［10］MacPhie R H.A mills cross multiplicative array with the power pattern of a conventional planar array［C］.IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium，Honolulu，HI，USA，2007：5961-5964.

［11］Xu L，Song Q，Li C，et al..Nulling antenna realisedutilising a concept of multiplicative array［J］.Electronics Letters，2012，48（1）：8-10.

［12］Stange L C，Metz C，Lissel E，et al..Multiplicatively processed antenna arrays for DBF radar applications［J］.IEE Proceedings-Microwaves，Antennas and Propagation，2002，149（2）：106-112.

［13］Li D J，Hou Y N，and Hong W.The sparse array aperture synthesis with space constraint［C］.EUSAR 2010，Germany，2010：1-4.

［14］Tang Y and Lu Y.Multi-Resolution composite array for digital beamforming with high angular-resolution［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（8）：4377-4380.

［15］Tang Y and Lu Y.A low cost radar digital beamforming concept with single receiver［C］.Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings，Singapore，2011：1622-1625.

唐 玥（1982-），男，江蘇常州人，現(xiàn)為河海大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)字波束雷達(dá)、天線與陣列天線、無線電定位等。

E-mail：tang0204@e.ntu.edu.sg

毛 天（1993-），男，湖北咸寧人，現(xiàn)為河海大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄苄畔⑻幚怼?/p>

E-mail：15051966860@163.com

江 冰（1960-），女，江蘇常州人，現(xiàn)為河海大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)殡娮优c雷達(dá)通信、智能信息理論與技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)等。

E-mail：jiangb@hhuc.edu.cn

Design and Experiment of Multi-resolution Composite Digital Array Antenna

Tang YueMao TianJiang Bing
（Department of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Because a sparse array has the advantages of a simplified structure and reduced cost in a radar system，radar technology based on the sparse array has gained widespread attention.To take advantage of the sparse array，in this paper，we designed a Multi-Resolution Composite digital Array antenna（MRCA），and then used it in single-target and multi-target detection experiments.Using the same number of array elements，our experimental results demonstrate that the MRCA can obtain a narrower main lobe and a lower side lobe，enhances the direction of the array antenna，and improves the angular resolution compared with the uniform linear array.

Sparse array； Multi-resolution composite digital array antenna； Target detection experiments

TN957.2

A

2095-283X（2016）03-0265-06

10.12000/JR16005

2016-01-07；改回日期：2016-02-23；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-04-06

毛天 15051966860@163.com

國家自然科學(xué)基金（61501172），中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2015B04514）

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China（61501172），The Fundamental Research Funds for the Central Universities（2015B04514）