基于三极化单元的平面阵列半空间扫描波束形成与分析
陈曦1, 付明1, 韩国栋2
1. 西安电子科技大学天线与微波技术国家重点实验室
2. 中国电子科技集团公司第五十四研究所
该文在深入研究三极化单元的极化合成的基础上，提出了一种三极化平面阵列半空间扫描波束形成方法，并与双极化平面阵列对阵列扫描特性进行了仿真分析与对比，结果表明充分利用三极化单元第三极化的补偿优势，可以三极化平面阵列高性能宽角扫描的实现提供一种有效的方法。论文写作思路较为清晰，理论推导和仿真验证准确。
论文提出了一种基于三极化单元的平面阵列半空间扫描波束形成方法，具有重要理论价值和工程意义。
背景
随着无线技术的快速发展，相控阵的应用变得越来越广泛。高精度、宽角度扫描的应用需求给高性能相控阵的实现提出了新的挑战。
目前拓宽相控阵扫描范围常用的方法主要有拓宽单元波束、采用方向图可重构以及借助共形阵三类。然而，这些方法在提升相控阵扫描性能上都存在较大的局限。
拓宽单元波束的方式牺牲了扫描增益，使整体扫描增益较低，且所拓宽的扫描范围仅限于一维。
方向图可重构方法所能重构的波束数量较少且差异较大，性能不稳定。
共形阵在实现宽角度扫描上需要复杂的算法，且容易造成较高的交叉极化分量。此外，这些方法的应用多局限于单极化或双极化阵列，在三极化阵列中无相关案例。
为了能够充分发挥三极化阵列的优势，实现相控阵的高性能宽角扫描，作者团队提出一种基于三极化单元的平面阵列半空间波束形成方法。
利用三极化单元三个极化可合成的特点，可以通过改变单元三个极化的激励来精准控制单元波束的指向。在这个基础上，同时改变各阵元的相位差来改变扫描角，使单元波束指向始终正对扫描角，从而可解决因扫描角偏离单元波束指向带来的扫描增益下降问题，提升阵列扫描性能。为了实现上述功能，需要建立阵元波束指向与三极化平面阵中各阵元3个极化端口激励条件之间的对应关系。
半空间波束形成方法
1. 单元极化合成简化机制
2. 单元极化合成激励求解与验证
3. 阵列联合调控激励求解
仿真结果验证与性能对比
1. 单元极化合成的仿真验证
利用 3 个结构完全一致的半波对称振子，建立如下基本三极化单元，输入上述单元极化合成激励条件，改变输入的波束指向 (θ0,φ0)，仿真获得 4 种极化下的单元合成波束。
仿真结果如下：
合成波束指向与输入的指向一一对应，验证了极化合成激励条件的正确性，实现了单元波束指向的精准调控。
2. 阵列联合调控计算验证与性能对比
给 xoy 平面上 10×10 的基本三极化天线平面阵中各单元3个端口输入联合调控中的激励条件,并给同天线形式同规模同布局的双极化平面阵阵元采用普通方式激励，在不考虑阵元间互耦的情况下分别计算二者的阵列波束方向图。
三极化阵列扫描方向图
双极化阵列扫描方向图
仿真计算与对比验证，所提出的阵列波束形成方法可大幅改善三极化均匀平面阵的扫描性能，使其远优于双极化平面阵列。
作者团队
陈曦，男，西安电子科技大学电磁场与微波技术专业博士学位；现为西安电子科技大学电子工程学院副教授，博士生导师；天线与微波技术国家级重点实验室固定成员，天线教育部工程研究中心研究成员，信息感知技术协同创新中心（2011计划）研究成员；美国IEEE协会、IEEE天线与传播协会成员，IEEE Trans on AP、AWPL等领域内学术期刊审稿人。2015年11月至2016年11月国家公派赴悉尼科技大学全球大数据技术中心与郭英杰院士（Prof. Y. Jay Guo，IEEE Fellow）开展移动通信天线领域的研究合作。陈曦博士长期从事天线与微波技术领域的教学和科研工作。先后承担《天线原理》、《现代天线工程与设计》、《阵列天线》、《天线测量》、《电波工程》等专业课程的建设与主讲任务。研究方向包括：先进雷达天线理论与技术、移动通信阵列天线技术、电子战天线技术、小型化高性能超材料天线技术等。在相关领域，主持及参与国家自然科学基金、省自然科学基金、国防预研课题多项。
付明：男，硕士生，主要从事基站天线、多极化天线技术研究.
韩国栋：男，正高级工程师，博士，主要从事微波天线、相控阵天线及电磁计算研究.
美 编 | 马秀强
校 对 | 融媒体工作室
审 核 | 陈 倩
声 明
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