相控阵天线技术：幅度与相位波束赋形解析

"本文主要探讨了通过改变幅度和相位实现波束赋形的技术，这是阵列天线设计中的一个重要方面。《广义逆矩阵及其应用》一书由王松桂和杨振海撰写，书中详细阐述了这种方法。波束赋形在通信、雷达等领域有广泛应用，能够改善信号的方向性和增益，降低副瓣电平，实现多波束等功能。" 在改变幅度和相位实现波束赋形的过程中，与仅改变相位的方法相比，不仅需要确定激励相位，还包括激励幅度。这使得目标函数变得更加复杂，包括了两个变量nI（激励幅度）和nα（激励相位）。目标函数的表达式为： 2 0 0 ( ) [| ( ) | | ( ) |] M i i i F S fθ θ = = −∑Iα (4.14) 在这个公式中，0 1 2 1 0 1 2 1( , , , , , , , , , )NI I I I Nα α α α−=Iα −，目标是找到最优的激励幅度和相位，使得目标函数最小化，即求解 * nI 和 ，使得 *, 0,1,2, ,n nα = −1N N * * * * * * * * * 0 1 2 1 0 1 2 1( ) min ( , , , , , , , , )NF F I I I I α α α α− −=Iα (4.15) 为了达到这个目的，需要运用优化方法，如联合应用DFP和BFGS公式的变度量算法。同时，要计算梯度向量，表示为： 0 1 2 2 1( ) ( , , , , )Ng g g g −=g Iα (4.16) 梯度向量的元素包含了目标函数对激励幅度F Iα nI 和 nα 的偏导数： ( ) , 0,1,2, , 1 ( ) , , 1, 2, , 2 n n n N F n N I g F n N N N N α − ∂⎧ = −⎪ ∂⎪ = ⎨ ∂⎪ = + + − ⎪ ∂⎩ Iα Iα 1 (4.17) 阵列天线，尤其是直线阵和平面阵，是现代无线电系统中提高性能的关键。它们利用相同结构和尺寸的天线单元按照特定规则排列，通过干涉效应产生定向辐射。在雷达、通信系统、导航和干扰对抗中，阵列天线能提供高增益、定向性和波束扫描能力。例如，相控阵天线通过电子方式改变相位，可以快速响应并实现波束扫描，适合于需要高精度和快速反应的应用。 在设计阵列天线时，幅度和相位的调整允许创建赋形波束，即根据需求定制波束形状，以优化系统性能。同时，通过控制幅度和相位，可以降低副瓣电平，减少干扰，提升系统效率。对于那些要求波束在多个方向上都有良好性能的系统，如多功能雷达，相控阵天线是理想选择。 随着技术的进步，阵列天线的设计更加集成，T/R组件的成本降低，使得更复杂的波束控制和优化成为可能。这使得阵列天线在现代无线电系统中的地位日益重要，不仅能够实现极窄波束以提高方向性，还能实现赋形波束、波束扫描和低副瓣电平，极大地扩展了天线的应用领域。