星载多波束接收天线阵列校准技术研究

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本文主要研究星载多波束接收天线阵列校准技术,文中详细地给出了阵列天线系统的各项主要指标和设计思想,作为论证阵列天线校准技术的约束条件;接着对阵列天线的主要误差类型:互耦误差、阵元位置误差和通道幅相误差的形成机理、数学模型、校准理论等进行了详细的分析,之后对星载阵列天线的校准算法以及校准系统的设计进行了深入剖析,给出了完整的星载阵列天线校准系统设计方案。  本文的主要创新点包括:  对阵列天线的系统误差进行了全面详细的分析,为工程上误差指标的分解提供了依据:提出了非水平误差、水平旋转误差的概念,并建立了数学模型;对各类位置误差进行了误差机理分析和量化分析;对通道时钟误差的控制策略进行了分析,提出了基于19元阵列天线的时钟误差控制电路的设计,从而有效地保证时钟电路的误差精度。  给出了确定系统误差指标要求的分析方法,通过定量分析各种幅相误差组合对性能的影响程度,综合考虑系统性能要求确定误差要求:DOA估计仿真分析表明当幅度误差小于0.5dB,且相位误差小于0.5°时,MUSIC谱具有较尖锐的谱峰且谱峰偏移小于1°;根据这一指标,对阵元位置误差、通道时钟误差和量化误差的影响进行了量化分析,得到了相应的误差指标要求。  提出了等通量赋形多波束阵列天线的校准效果评估指标体系,包含波束变形指数、平坦度恶化指数、等通量指数、平均DOA估计误差等与实际应用更加紧密的指标,并给出了各种校准效果指标的数学定义及适用性分析。  针对宽带阵列天线提出了三音幅相一致校准法,对通道误差进行三音测量和二次拟合,能够对通道的全带宽进行幅相校准,与传统的单点校准和分段式校准相比,极大地降低了校准误差;针对宽带DBF系统进一步提出了折线式拟合和补偿算法,理论分析和仿真表明,该算法能够在不增加计算复杂度的前提下,大大降低校准误差。两种算法均给出了解析表达式,并在一个实际系统设计中应用了两种校准方法。  提出了一种针对低轨卫星星载阵列天线的一体化校准平台技术,该平台是是以Labview为设计环境,基于相应的校准策略开发的集控制和数据分析为一体的校准平台,可以完成对校准信标的设定、触发源的多重选择、可靠性分析以及实时误差分析,反馈的数据可以验证校准的有效性并能为设计更合理的校准策略提供数据支持。可作为校准系统和卫星仿真系统的联试平台以及校准算法和校准策略的验证平台。
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