基于等离子体的定向天线阵理论与实验研究

当前国内学者对等离子体天线的研究主要集中于柱状天线和反射面天线, 而在国外已有学者以等离子体阵列结构设计了功能多样的智能天线系统. 为了较系统地了解这一新的设计思路, 基于等离子体散射理论对中心单元激励的圆形定向天线阵进行了理论和实验研究. 设计了一个16元等离子体无源振子的圆形天线阵, 实现了天线电磁波单波束和多波束的定向辐射. 通过理论计算和分析, 阐述了天线电磁波单波束和多波束辐射的原理. 通过建立实验系统, 测试了圆形天线阵的定向辐射特性. 实验结果和理论值接近, 说明该等离子体圆形天线阵可以实现天线电磁波的定向辐射和多波束辐射. 另外, 该天线阵还具有快速切换辐射方向、参数快速重构、雷达隐身性良好的优点. 关键词： 等离子体 定向天线阵 单波束 多波束     

基于VxWorks阵列天线主控系统的多节点通信北大核心CSCD

采用UDP通信协议实现基于VxWorks的阵列天线主控系统与各分系统之间的多节点通信;在应用层中设计了通信协议,保证通信双方可以正常通信;同时,设计了缓冲机制,用以存储收发的命令,保证信息在传输过程中不丢失,使命令任务能够有序正常的执行。实验结果表明,该协议及缓冲队列可以有效的实现阵列天线主控系统与各分系统之间的多节点通信。     

微型无刷直流电机位置系统的过程控制

为了实现机械相控阵列天线的波束扫描,采用微型无刷直流电机驱动螺旋天线单元转动来到达预定的辐射相位。设计了一种新型微型无刷直流电机位置控制系统,构建了比例滑模面-超螺旋二阶滑模控制器用于速度控制,利用结合速度剖面策略的PID控制算法实现了转动位置的中间过程控制。建立了基于Simulink的系统仿真模型,验证了方案的可行性,并构建了FPGA硬件实验平台。仿真和实验结果均表明,微型无刷直流电机驱动天线单元精确按照预设的速度剖面曲线运行,在50 ms控制周期内转动角度达到180°,中间控制过程的位置跟踪误差和平衡位置处的残余震荡误差均小于±3°。     

光纤延迟线噪音对相控阵波束指向的影响

基于相位噪音和相控阵理论,运用线阵天线原始方向图函数和光纤链路噪音系数公式,根据天线波束指向实际误差进行合理近似,推导了光延迟线链路噪音系数、天线阵元数与波束指向误差的理论公式.采用常规光纤链路参量进行了仿真研究,结果表明:相控阵天线波束指向误差均方差随光纤链路噪音系数增大而增加,随天线阵元数增加而减小,指向误差与光纤延迟线链路噪音系数的1/2次方成正比,与阵元数的3/2次方成反比.在相控阵天线工作频段内,低频波段受噪音系数影响更加明显.     

基于微光学元件堆栈集成技术的收发一体化宽带光控相控阵天线

设计了一种收发一体化的光控相控阵天线系统.该系统中,采用基于微光学元件堆栈集成技术实现真时延的产生.天线系统通过光域内的延迟控制实现微波射频域的波束控制.对系统接收模式状态进行实验验证,±10.6°、±30.8°波束指向的暗室实验结果表明,在2~6GHz宽带微波信号下,±10.6°指向角的最大指向角误差为3.1°,±30.8°指向角的最大指向角误差为1.2°.相控阵天线系统在2GHz频点动态范围约为71dB左右.该光控相控阵系统能够实现与宽带射频信号频率无关的波束指向及一维平面内方位向运动物体的跟踪.     

C/Ku波段共口径宽角度扫描相控阵天线

设计了一款具有高功率容量与宽角度扫描特性的C/Ku双频段共口径平面相控阵天线。在同一辐射口径内,相控阵天线包含有基于平面偶极子单元的C波段4×4阵列,以及基于混合零阶谐振贴片单元的Ku波段8×9阵列。所设计的相控阵天线的宽角度扫描性能归功于双频段阵元天线的宽波束辐射特性。下层混合零阶谐振贴片天线既能作为Ku波段的宽波束辐射单元,又能够为C波段的偶极子天线提供零反射相位,进而基于镜像原理拓宽偶极子天线的波束宽度。并且,对天线进行了介质埋入式设计,避免了空气击穿以提高天线系统功率容量。全波仿真结果表明,所提出的共口径相控阵天线在C和Ku双频段均实现了±45°的波束扫描,增益波动小于3 dB,天线阵列在各单元输入功率之和为1 W时功率容量达18.9 MW。     

基于FPGA的多轴直流电机控制系统

为了实现机械相控阵列天线的波束扫描,采用微型直流电机驱动螺旋天线单元转动来达到预定的辐射相位,研究了一种基于单片FPGA的多轴直流电机控制系统。采用IP设计思想,直流电机的位置控制用纯硬件逻辑电路的形式(直流电机控制IP核)实现,总线通信及轨迹计算由同一芯片上的微处理器(Nios II软核)软件实现,从而容易构建多轴直流电机控制的片上系统。利用Verilog硬件描述语言,设计了一种高性能直流电机控制IP核,并进行了仿真验证。为了验证该IP核的复用性,构建了一个56轴直流电机控制的片上系统。实验结果表明,此系统可对各个直流电机实现快速精确控制,每轴的运动相互独立,并且控制参数在线可编程,控制一致性满足系统设计要求。基于这种方式构建的系统,扩展方便、可移植性高、具有较好的适用性,已在某相控阵列天线中得到了应用。     

基于FPGA的DBF多波束中频接收系统的设计与实现

数字波束形成(DBF)阵列能够充分利用阵列天线所获取的空间信息,通过信号处理技术使波束获得超分辨率和低旁瓣的性能,它由天线阵元、射频下变频模块、AD采样、中频接收系统及上位机控制器组成。对中频接收系统进行数字波束形成的具体方案进行讨论,对多路接收和AD量化一致性造成的各通道间失配提出了幅相校正的解决方案,详细分析了研制中的关键技术。实验结果表明所设计的DBF多波束中频接收系统可有效实现通道间失配的校正,并实现精确的波束赋形功能。     

基于CAN总线的雷达阵面液冷综合监控系统设计

相控阵雷达天线阵面工作中散热量很大,广泛采用液冷方式进行阵面冷却,液冷系统实时监控对雷达系统安全性至关重要。介绍了一种基于CAN总线的雷达阵面液冷系统综合监控设计,采用实时性、可靠性较高的CAN现场总线技术和多级综合控制技术,实现了液冷系统自动闭环控制、监测信息共享及雷达系统级决策控制。设计控制流程清晰,电路简洁,产品辗转多地,在各种工况下工作稳定,控制与保护及时有效。     

控制器局域网络总线在阵列天线中的应用

为控制数万单元的阵列天线,基于控制器局域网络（CAN）总线设计了一套多级通信系统。分析了CAN总线的拓扑结构,根据每路CAN的带负载能力设计了多级CAN总线通信网络的基本结构;基于Nios II软核处理器设计了CAN总线通信节点硬件电路;最后根据阵列天线控制功能的要求,基于CAN2.0B协议设计了应用层通信协议和应用程序。阵列天线波束扫描实验表明,通信系统满足500 kbps以上传输速率的要求,通信时间抖动小于1 ms,当阵列天线辐射峰值功率达到GW量级时仍可以有效控制天线系统。     

相控阵天线内部通信的CAN控制器IP核设计

为实现相控阵天线波控系统小型化、芯片化的目的,设计了一种基于Avalon总线的CAN控制器IP核。参照CAN2.0B协议规范,给出了CAN控制器IP核的功能结构,利用Verilog硬件描述语言完成了控制器接口逻辑、位流处理器、位时序逻辑等模块设计,并进行了设备驱动及应用软件开发。将设计的CAN控制器IP核、Nios II微处理器、多个单元相位控制器IP核等集成到FPGA中构成子阵级波束控制的SoPC系统。最后对CAN总线的通信性能进行了实验测试。结果表明:设计的CAN控制器IP核能够在实际CAN网络中稳定可靠地收发数据。基于这种方式构建的系统,扩展方便、可移植性高、具有较强的适应性,也可用于高密度、紧凑型工业控制领域。     

基于VxWorks的PCI设备驱动程序设计

 阵列天线控制系统采用实时操作系统VxWorks,为了实现控制系统计算机与单元天线的通信,在控制系统计算机中采用PCI设备与单元天线通信,并且基于VxWorks实时操作系统开发了PCI设备的驱动程序。主要完成了板级支持包的修改、PCI设备的初始化,以及功能函数的设计。经试验验证,该驱动程序工作稳定可靠,可以应用于控制系统中。     

阵列天线控制系统的可重构技术

针对控制系统软件在线更新或升级维护的需要,构建了SoPC远程更新系统,研究了一种远程在线更新FPGA硬件配置文件和Nios II软件可执行文件的可重构方法。通过硬件配置代码和软件可执行代码引导顺序的分析,设计了高级BootLoader,可以从任意指定地址加载应用模式映像软件代码;EPCS存储用于远程更新的工厂模式映像和多份用于天线相位控制的应用模式映像;采用自定义的CAN应用层协议,用于传输及校验数据,保证了传输的可靠性。实验验证了方案的可行性,系统可进行多份配置程序的自由切换;即使远程更新失败,FPGA也能自动加载工厂模式映像,提高了系统安全性和可靠性。     

瞬态波位移场计算方法在相控阵声场模拟中的实验验证

通过实验研究了声束偏转不同角度和声场半径变化时线性相控阵的声场特性,并与基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法得到的理论结果进行了对比。首先研究了基于半圆圆弧离面瞬态位移的声场计算方法,并进行了数值计算可靠性的优化。然后建立了一套相控阵瞬态波位移场的测量系统,以半圆形钢板为试件,纵波传感器为接收传感器,测量了偏转角度为-10°,-30°,-50°,-70°,及声场半径为50 mm,75 mm,100 mm和125 mm时线性超声相控阵的声束指向性;同时以基于瞬态波位移解析解的相控阵声场计算方法,计算了相同条件下该相控阵的声束指向性。最后将实验结果与理论结果进行了对比,取得了较好的一致。说明基于瞬态波位移的相控阵声场计算方法可以较好地计算线阵的声场,对于声束偏转较大角度和声场半径变化时也同样有效。      

Theoretical calculation on distance amplitude curve of ultrasonic phased array

Ultrasonic phased array technology has been gradually applied to industrial nondestructive testing in recent years. The sound field of the focusing and steering beam radiating from the phased array is a nonuniform distribution in the spatial position so that the echo signals of same size defects will be changed according to defect positions. To analyze these defects quantitatively, a model-based method for the distance amplitude correction is proposed for the phased array system. Based on a non-paraxial multi-Gaussian beam model and flaw scattering models, an ultrasonic measurement model for the phased array system is proposed to calculate the echo signals from side-drilled holes at different positions. Furthermore, these model-based distance amplitude curves are compared with the traditional experimental results for different focusing and steering beams. The two methods have a good agreement.     

Continuous True-Time-Delay System Employing a Novel Tunable Chirped Fiber Grating Delay Line and a Sampled Grating Based Multiwavelength Fiber Laser

A photonics true-time-delay system for phased array antenna beam steering employing a novel tunable chirped fiber grating delay line and a multi-wavelength erbium-doped fiber ring laser source based on a sampled grating filter is proposed. The tunable chirped fiber grating, which act as a continuous time-delay element, is achieved by bending a uniform fiber Bragg grating bonded at a slant onto the lateral surface of a simply supported beam. This technique allows the dynamic control of the chirp rate and spectral width of the grating without center wavelength shift. By adjusting the chirp rate of the fiber grating via bend strain, this kind of tunable chirped fiber grating could achieve very low and adjustable delay times, therefore provides higher angle resolution for scanning microwave beam, even the wavelengths of laser source are fixed and un-tunable. The true-time-delay system using proposed tunable chirped fiber grating delay element and sampled grating based laser source is constructed and demonstrated experimentally.