阵列天线广义数字波束成形的研究

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得益于当今数字技术的蓬勃发展,数字波束成形(Digital Beam Forming,DBF)技术广泛应用于相控阵雷达和通信等领域。该技术基于相控阵天线波束成形理论,使用数字信号处理的方法,替代原有阵列雷达中的移相器,进而来控制天线波束的扫描特性。相比于传统的波束成形,数字波束成形技术使得信号在特定方向上得到最大输出的同时,减少了阵列雷达中大量的移相器和放大器等器件的使用,使得雷达结构简化,成本降低,损耗减少。本文基于数字波束成形原理,研究数字波束成形技术在传统毫米波雷达中应用的同时,提出广义数字波束成形的概念。其广义的概念是,通过数字技术控制天线单元上PIN二极管的通断来实现反射阵天线的波束成形,两者的本质都是通过数字方法补偿天线阵列单元间的相位差来实现波束成形。在传统毫米波雷达数字波束成形的研究中,本文对调频连续波雷达在来自特定距离且六个不同角度的目标反射回波进行中频信号采样,在MATLAB中对采样数据进行数字波束成形和雷达距离检测等一系列数字信号处理算法的软件仿真;之后编写Verilog代码,通过FPGA仿真软件Modelsim来进行硬件上的仿真验证;最终通过比对软硬件仿真结果,验证了算法的可行性。在广义概念上的数字波束成形研究中,本文基于对超表面反射阵天线原理的研究,首先对超表面反射阵波束成形进行软件仿真,之后根据实际指标进行硬件选型,设计并加工了以FPGA开发板为主控板的数字编码控制板,通过编写Verilog程序来控制12×12反射阵天线单元上PIN二极管的通断,最终实现反射波束的可调。在编码设计方面,本文设计了四种静态编码和两种动态扫描编码,并在PC端通过串口调试的方式,可将不同状态下的编码实时发送到FPGA,再由FPGA将编码所对应的高低电平实时下发到不同的PIN二极管开关,进而实现反射阵波束的实时可调,这也在实际的上板实验中得到成功实现。
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