方向回溯天线15
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1、1方向回溯天线方向回溯天线 Retro-directive array阮成礼电子科技大学2天线阵的功能天线阵的功能天线阵天线阵作为单一的大天线作为单一的大天线 实现单一波束定向辐射实现单一波束定向辐射; ;实现主波束扫描实现主波束扫描; ;控制副瓣。控制副瓣。3方向回溯天线阵特别功能方向回溯天线阵特别功能19641964年年AndreAndre和和LeonardLeonard， Rutz-PhillippRutz-Phillipp等人提出方等人提出方向回溯阵列天线有很多年了，向回溯阵列天线有很多年了，由于它在无线通信中的独特应用，在由于它在无线通信中的独特应用，在19901990年代后期年代后
2、期又引起人们的研究兴趣。又引起人们的研究兴趣。自动确定来波方向自动确定来波方向, ,而不要求任何关于辐射源方向的而不要求任何关于辐射源方向的先验知识。先验知识。与其他与其他DPS (digital signal processing)DPS (digital signal processing)波束控制天线波束控制天线阵比较，这种方法非常简单，并且速度非常快，因阵比较，这种方法非常简单，并且速度非常快，因为不需要任何数值计算。为不需要任何数值计算。4应应 用用方向回溯天线阵的自动波束控制特性适方向回溯天线阵的自动波束控制特性适合于合于RFIDRFID（radio frequency ident
3、ificationradio frequency identification）; ;灯塔微波引导灯塔微波引导; ;移动通信移动通信, ,方向回溯天线阵的响应是一个定向波束，方向回溯天线阵的响应是一个定向波束，而不是全向波束，而不是全向波束，通信链路增益通信链路增益由于功率合成而由于功率合成而提高。提高。5提高通信链路增益提高通信链路增益一方面对发射机和接收机的一方面对发射机和接收机的负荷减轻负荷减轻了，同了，同时又保持了合适的通信链路增益。时又保持了合适的通信链路增益。降低了信号被未知第三者降低了信号被未知第三者截获的概率截获的概率，增加，增加了数据的安全性。了数据的安全性。提高通信系统的提
4、高通信系统的通信容量通信容量。6角反射器角反射器角反射器是用一组互相垂直的金属板构成的角反射器是用一组互相垂直的金属板构成的角形反射体。角形反射体。入射电磁波经过角反射器理想金属面多次反入射电磁波经过角反射器理想金属面多次反射后返回来波方向。射后返回来波方向。角反射器可以用于增加目标反射率或者作为角反射器可以用于增加目标反射率或者作为雷达目标应用雷达目标应用(用于欺骗的假目标用于欺骗的假目标)。角反射器电尺寸太大，很难把它集成到电子角反射器电尺寸太大，很难把它集成到电子电路中去，限制了它在无线通信中的应用。电路中去，限制了它在无线通信中的应用。7假目标假目标金属角反射器金属角反射器RCSRCS
5、很大很大, ,可作桥梁等假目标用可作桥梁等假目标用. .入射波反射波8Van AttaVan Atta天线阵天线阵由（到天线阵中心距离相等的）天线单元对组成，并用等长传输线连接起来。天线接收的信号被成对成对天线单元再辐射出去,因此，再辐射单元的顺序是依据到天线阵中心的距离排列的。为了得到方向回溯所需的合适相位，天线阵的相位梯度是相反的。9Van Atta Van Atta 天线阵方案天线阵方案 频带宽频带宽, ,难共形难共形10相位共轭方向回溯方案相位共轭方向回溯方案 11共轭混频技术共轭混频技术用共轭混频技术共轭混频技术在天线单元中产生相位共轭信号。这一方向回溯技术允许非平面波前和非平面布阵
6、。入射波(RF)与本振(LO)信号混频，当本振频率约是RF的两倍时，下边带（中频IF）信号和接收信号完全是相位共轭的。这样一个相位共轭单元构成的阵列可以辐射一个指向来波方向的定向波束。12无源方向回溯天线单元无源方向回溯天线单元 13相位共轭方程相位共轭方程 下边带信号相位与入射射频信号共轭下边带信号相位与入射射频信号共轭; ; 上边带信号相位与入射射频信号同相。上边带信号相位与入射射频信号同相。 )cos()cos(21)cos()cos(nRFLOnRFLOLORFLOLOnRFRFIFttVVtVtVV下边带下边带共轭共轭同相同相上边带上边带在非线性元件中在非线性元件中14消除消除泄漏泄
7、漏信号信号重要的是消除不要的信号，只留下需要的相位共轭重要的是消除不要的信号，只留下需要的相位共轭信号，然后把它从阵列辐射出去。信号，然后把它从阵列辐射出去。上边带上边带(3 )(3 )信号和本振信号和本振(2 )(2 )泄漏信号容易排除，泄漏信号容易排除，因为其频率远离相位共轭信号频率。因为其频率远离相位共轭信号频率。另一个信号必须加以抑制，即直接从输入端泄漏进另一个信号必须加以抑制，即直接从输入端泄漏进入相位共轭输出端的入相位共轭输出端的RFRF信号。泄漏进入的信号。泄漏进入的RFRF信号信号和和IFIF信号的频率几乎相等，但是相位不是共轭的。信号的频率几乎相等，但是相位不是共轭的。RFR
8、F15Snell定律确定RF泄漏信号的方向非共轭信号按照Snell定律确定的方向被再次辐射出去，因为相位梯度和入射波完全一样。所以抑制RF泄漏信号是一个关键因素。IF 频率和RF信号频率一样或者几乎一样，不可能用滤波器来区分两个信号，通常用平衡混频器来排除不需要的信号。16电磁脉冲弹电磁脉冲弹电磁脉冲弹目标投弹误差圆17波束指向误差波束指向误差当当RF和和IF频率稍不相同还是可以得到相位共轭信频率稍不相同还是可以得到相位共轭信号。号。二者载频之间的偏离将导致返回波束的指向误差。二者载频之间的偏离将导致返回波束的指向误差。指向误差的大小取决于指向误差的大小取决于 ，以及入射波，以及入射波的角度。
9、这起因于一个简单的事实，即阵列波束指的角度。这起因于一个简单的事实，即阵列波束指向所需的递进相移量是天线单元间距的函数。向所需的递进相移量是天线单元间距的函数。IFRFf18栅栅 瓣瓣(Grating lobe)另一个设计所关心的是阵列间距。阵列间距应当满足条件indsin10以避免由于栅瓣出现而限制扫描角，其中 是来波的入射角。实际上这个条件并不是特别针对方向回溯天线阵的,一般来说，对所有的天线阵都是如此。对于从-90到90的全扫描天线，阵元间距应当小于射频信号的半波长。小的阵列间距可以避免栅瓣造成的扫描角限制，当阵列间距太大时栅瓣变成可见的了。in19相位翻转相位翻转要观察方向回溯行为只需
10、把入射波相位翻转。要观察方向回溯行为只需把入射波相位翻转。为了适合于远距离通信，最好对出射波加以放大。为了适合于远距离通信，最好对出射波加以放大。采用半导体场效应晶体管（采用半导体场效应晶体管（MESFETsMESFETs）有源混频器，）有源混频器，除了混频功能之外它还可以提供变频增益。除了混频功能之外它还可以提供变频增益。使天线阵列向源方向辐射出放大了的信号而不需要使天线阵列向源方向辐射出放大了的信号而不需要附加的放大器。从而大大减小了电路尺寸和成本。附加的放大器。从而大大减小了电路尺寸和成本。20挑挑 战战(Challenge)设计相位共轭电路并提供设计相位共轭电路并提供RFRF和和IFI
11、F之间良好隔离。之间良好隔离。不可能用滤波器来实现这一目的，因为不可能用滤波器来实现这一目的，因为RFRF和和IFIF频率频率非常接近，甚至是相等的。非常接近，甚至是相等的。采用平衡混频器实现采用平衡混频器实现RFRF和和IFIF之间良好隔离。之间良好隔离。平衡混频器的设计实例平衡混频器的设计实例: :除了其中一路有一个除了其中一路有一个9090相相位（位（RFRF）延迟之外，两路信号路径是完全相同的。）延迟之外，两路信号路径是完全相同的。21简单的有源相位共轭方案简单的有源相位共轭方案 22隔离隔离90相位（RF）延迟线是抵消RF/IF端口反射的射频信号，以实现RF-IF之间良好隔离。因为从
