高级搜索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术

陈志坤 崔津赫 王伟 陈智斌 郭云飞

陈志坤, 崔津赫, 王伟, 陈智斌, 郭云飞. 一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(6): 2533-2541. doi: 10.11999/JEIT240070
引用本文: 陈志坤, 崔津赫, 王伟, 陈智斌, 郭云飞. 一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术[J]. 电子与信息学报, 2024, 46(6): 2533-2541. doi: 10.11999/JEIT240070
CHEN Zhikun, CUI Jinhe, WANG Wei, CHEN Zhibin, GUO Yunfei. Polarized Beam Online Reconfiguration Technique For Flexible Deformation Antennas[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(6): 2533-2541. doi: 10.11999/JEIT240070
Citation: CHEN Zhikun, CUI Jinhe, WANG Wei, CHEN Zhibin, GUO Yunfei. Polarized Beam Online Reconfiguration Technique For Flexible Deformation Antennas[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2024, 46(6): 2533-2541. doi: 10.11999/JEIT240070

一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术

doi: 10.11999/JEIT240070
基金项目: 国家自然科学基金(61701148, 62371173)
详细信息
    作者简介:

    陈志坤:男,博士,副教授,硕士研究生导师,研究方向为雷达阵列信号处理与电子侦察

    崔津赫:男,硕士生,研究方向为相控阵波束形成技术

    王伟:男,博士,研究方向为柔性天线设计

    陈智斌:男,硕士生,研究方向为相控阵波束形成技术

    郭云飞:男,博士,教授,博士生导师,研究方向为目标跟踪,信息融合

    通讯作者:

    崔津赫 212320070@hdu.edu.cn

  • 中图分类号: TN911

Polarized Beam Online Reconfiguration Technique For Flexible Deformation Antennas

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61701148, 62371173)
  • 摘要: 针对柔性极化阵列天线因其结构实时形变而难以波束重构以及性能受损的问题,该文提出一种基于柔性形变天线的极化波束在线重构技术。首先,基于无人机机翼模型的柔性形变状态进行阵列建模,借助于模态法得到实时形变数据,在线重构天线阵列模型;其次,基于矢量阵列天线的阵元响应,构建3维空间中的柔性阵列信号模型;最后,将循环算法(CA)与2阶锥规划(SOCP)进行深度结合设计以求解最优极化波束重构的动态优化问题。仿真结果表明:在一定的形变范围内,即在环境载荷对不同弧度与角度需求下,该文所提方法能够实现在线天线阵列重构,并根据所测量应变位移数据而实现最优极化波束在线重构,方向图增益、波束宽度以及极化匹配设计均能满足工程应用要求。
  • 图  1  柔性阵列天线载机与阵列模型示意图

    图  2  柔性极化阵列天线阵元示意图

    图  3  柔性形变天线极化波束在线重构方案框图

    图  4  不同算法的最优极化波束形成

    图  5  两种柔性形变天线阵列模型

    图  6  理想阵列模型与重构阵列模型的最优波束形成

    图  7  $ d = {90^ \circ } $,$ k = 0.8 $时,柔性阵列天线的最优极化波束

    1  极化波束在线重构算法的实现步骤

     输入:阵列模型变形时间,天线载荷,目标天线阵列模型,目标
     波束方向,目标主瓣极化参数
     循环开始:$ i $从$ 0 $~$ n $开始循环
     步骤1 初始化,产生变形前柔性阵列天线模型。
     步骤2 在$ {t_i} $时刻,柔性阵列天线阵列模型发生自主变形,通过
         模态法计算应变—位移矩阵,得到实际阵列模型。
     步骤3 SOCP求解,通过原始-对偶内点法,根据实时阵列模
         型,得到最优极化状态以及波束矩阵。
     循环结束
    下载: 导出CSV

    表  1  不同算法求解最优极化波束形成指标分析

    算法 r0 θ–3 dB (°) $\varphi_{-3\;{\mathrm{dB}}} $ (°) G α β t(s)
    IPF (45.83°,91.67°) 12.7 26.8 19.7 7.32 17.34 335.62
    IP-PDIPM (45.83°,91.67°) 11.2 24.2 20.7 10.01 20.01 4 619.92
    S-PDIPM (45.83°,91.67°) 9.7 20.8 22.0 7.51 17.85 26.81
    下载: 导出CSV

    表  2  理想阵列与重构阵列的波束效果对比

    阵列 p θ–3 dB (°) $\varphi_{-3\;{\mathrm{dB}}} $ (°) G α β
    理想阵列 –16.9 12.7 26.8 19.7 7.32 17.34
    重构阵列 –17.1 9.7 20.8 22.0 7.511 17.85
    下载: 导出CSV

    表  3  不同时刻柔性阵列机身弧面弧度对应极化波束响应($ d(t) \in ({60^ \circ },{100^ \circ }) $)

    参数 t (s)
    10 20 30 40 50
    d 60 70 80 90 100
    p –16.3 –16.5 –16.8 –16.5 –16.5
    ($\theta_{-3\;{\rm dB}} $,$\varphi_{-3\;{\mathrm{dB}}} $) (9.2°,25.3°) (9.2°,23.2°) (9.0°,23.6°) (8.5°,25.3°) (9.3°,20.7°)
    G 21.3 21.7 21.7 21.7 22.2
    (α,β) (7.30,17.10) (7.28,17.01) (7.51,17.39) (7.65,17.47) (7.51,17.82)
    下载: 导出CSV

    表  4  不同时刻柔性阵列两翼斜面夹角对应极化波束响应($ k(t) \in \left( {0.1,1.0} \right) $)

    参数 t (s)
    10 20 30 40 50
    k 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
    p –15.8 –17.0 –14.6 –14.4 –14.2
    ($\theta_{-3\;{\rm dB}} $, $\varphi_{-3\;{\rm dB}} $) (10.8°,19.4°) (13.2°,23.5°) (11.2°,20.8°) (10.5°,22.5°) (11.3°,19.7°)
    G 21.8 20.1 21.3 21.3 21.5
    (α,β) (7.67,17.68) (6.91,17.81) (7.10,17.30) (7.13,17.43) (6.91,17.53)
    下载: 导出CSV
  • [1] ASADALLAH F, SHEHADEH G, COSTANTINE J, et al. A digitally tuned flexible reconfigurable antenna for IoT devices[C]. 2020 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting, Montreal, Canada, 2020: 1803–1804. doi: 10.1109/IEEECONF35879.2020.9329456.
    [2] 何小静. 弹载共形阵列设计与波束综合[D]. [硕士论文], 西安电子科技大学, 2020. doi: 10.27389/d.cnki.gxadu.2020.001137.

    HE Xiaojing. Design and beam synthesis of missile-borne conformal array[D]. [Master dissertation], Xidian University, 2020. doi: 10.27389/d.cnki.gxadu.2020.001137.
    [3] GAN T H, LIU Ankang, TAN P K, et al. A bendable wideband dual-polarization conformal phased-array antenna[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2023, 22(8): 1952–1956. doi: 10.1109/LAWP.2023.3270431.
    [4] 南荣昌, 周金柱, 唐宝富, 等. 机翼蒙皮天线的形变重构方法和实验[J]. 电子机械工程, 2020, 36(5): 1–6,54. doi: 10.19659/j.issn.1008-5300.2020.05.001.

    NAN Rongchang, ZHOU Jinzhu, TANG Baofu, et al. Deformation reconstruction method and experiment of wing skin antenna[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2020, 36(5): 1–6,54. doi: 10.19659/j.issn.1008-5300.2020.05.001.
    [5] 闫敏. 极化相控阵雷达波束形成与极化合成技术研究[D]. [硕士论文], 哈尔滨工业大学, 2016.

    YAN Min. Research on beamforming and polarization synthesis for polarized phased array radar[D]. [Master dissertation], Harbin Institute of Technology, 2015.
    [6] XIAO Jinjun and NEHORAI A. Optimal polarized beampattern synthesis using a vector antenna array[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2009, 57(2): 576–587. doi: 10.1109/TSP.2008.2007107.
    [7] 陈志坤, 乔晓林, 李风从. 基于极化波束形成的相控阵雷达导引头抗干扰技术研究[J]. 航空兵器, 2016(6): 16–20. doi: 10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.004.

    CHEN Zhikun, QIAO Xiaolin, and LI Fengcong. Research on anti-interference technology for phased array radar seeker based on polarized beam synthesis[J]. Aero Weaponry, 2016(6): 16–20. doi: 10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.004.
    [8] XIE Peng, WANG Guangming, LI Haipeng, et al. A dual-polarized two-dimensional beam-steering Fabry–Pérot cavity antenna with a reconfigurable partially reflecting surface[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, 16: 2370–2374. doi: 10.1109/LAWP.2017.2718567.
    [9] WANG Peipei, LIU Junmin, HE Yanliang, et al. Arbitrary cylindrical vector beam generation using cross-polarized modulation[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2019, 31(11): 873–876. doi: 10.1109/LPT.2019.2910989.
    [10] 苏月, 谢拥军, 张春刚, 等. 飞机V形尾翼共形垂直极化合成天线[J]. 电讯技术, 2021, 61(2): 230–235. doi: 10.3969/j.issn.1001-893x.2021.02.016.

    SU Yue, XIE Yongjun, ZHANG Chungang, et al. A vertically polarized synthetic antenna conforming to V-shaped tail of an aircraft[J]. Telecommunication Engineering, 2021, 61(2): 230–235. doi: 10.3969/j.issn.1001-893x.2021.02.016.
    [11] 陈志坤. MIMO雷达自适应波形设计与阵列优化研究[D]. [博士论文], 哈尔滨工业大学, 2016.

    CHEN Zhikun. Research on adaptive waveform design and array optimization for MIMO radar[D]. [Ph. D. dissertation], Harbin Institute of Technology, 2016.
    [12] MOULDER W F, DAS R N, MACCABE A C, et al. Rigid-Flexible Antenna Array (RFAA) for lightweight deployable apertures[C]. 2020 14th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Copenhagen, Denmark, 2020: 1–5. doi: 10.23919/EuCAP48036.2020.9135627.
    [13] TANG Hong, BULGER C J, ROVERE T, et al. A low-profile flexible dual-band antenna with quasi-isotropic radiation patterns for MIMO system on UAVs[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2023, 22(1): 49–53. doi: 10.1109/LAWP.2022.3201492.
    [14] 陈志坤, 杜康, 彭冬亮, 等. 极化智能天线的二维矢量波束形成方法研究[J]. 信号处理, 2020, 36(2): 275–282. doi: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.02.015.

    CHEN Zhikun, DU Kang, PENG Dongliang, et al. Research on method of 2-D vector beamforming for polarized smart antenna[J]. Journal of Signal Processing, 2020, 36(2): 275–282. doi: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.02.015.
    [15] NIA B A, DE FLAVIIS F, and SAADAT S. Ultra thin dual-polarized flexible patch antenna for the 5G communication[C]. 2022 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting (AP-S/URSI), Denver, USA, 2022: 1012–1013. doi: 10.1109/AP-S/USNC-URSI47032.2022.9886890.
    [16] WANG Yuxin and QU Siwei. Dual-polarized conformal transparent antenna array with hemispherical beam coverage[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2023, 22(10): 2452–2456. doi: 10.1109/LAWP.2023.3291013.
  • 加载中
图(7) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  133
  • HTML全文浏览量:  52
  • PDF下载量:  23
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-30
  • 修回日期:  2024-03-27
  • 网络出版日期:  2024-04-11
  • 刊出日期:  2024-06-30

目录

    /

    返回文章
    返回