[发明专利]一种宽带双极化天线阵列装置及高分辨测向方法

权利要求书

1.一种宽带双极化天线阵列的高分辨测向方法，其中宽带双极化天线阵列装置设有六单元超宽带背腔式双极化对数周期天线阵列，以构成十二端口网络的多基线测向系统，其中每个单元为双极化结构，提供两个极化端口，每个天线单元在主辐射方向上形成极化正交的电磁场，超宽带背腔式双极化对数周期天线阵列由金属安装底盘、宽带微波吸波材料以及三个超宽带背腔式双极化对数周期天线单元，其中天线罩的外形为近圆锥形；

对数周期天线具有周期性的几何结构，高频辐射振子位于天线的上部区域，低频辐射振子位于天线的底部区域，这种上窄下宽的结构方式更有利于被动天线在天线罩内的安装；馈电方式为在集合线的顶部馈电，加工实现方式可采用金属杆状结构和印刷电路结构；

双极化对数周期天线的工作频率范围为2GHz至6GHz，为金属杆状结构，辐射振子的个数为11个，振子的金属杆直径相同，即选择所有的金属杆的粗细相同，优选振子直径都为1.2毫米，金属辐射振子的低频端振子长度为低频工作波长的一半；集合线为长条形金属板，辐射振子安装于集合线的侧边；振子的长度比例因子τ选择0.84；

两幅相同的对数周期天线正交放置，形成双极化的辐射模式，对外输出两个极化端口，为了实现两个极化端口的正常馈电而不互相遮挡，同时还要改善两个极化端口的隔离度，将两个对数周期天线在高度上略微错开，分别馈电，两个正交的对数周期天线在高度上错开的距离为0.5毫米；对数周期天线的馈电采用在集合线的顶部馈电，同轴接头位于集合线的底部，输出接头为SMA；在集合线底部，即靠近低频振子处，加载宽带匹配负载，吸收低频段的反射波信号，进一步改善低频段的电压驻波比性能；

对数周期天线的所有振子尺寸和振子之间的距离遵循比例关系τ，则：

式中L_n为第n个对称振子的全长；a_n为第n个对称振子的宽度；R_n为第n个对称振子到天线虚拟“顶点”的距离；n为对称振子的序列编号，从距离馈电点最远的振子算起，也就是最长的振子编号为“1”；

在组阵条件下，为了减小单元之间的互相耦合以及金属底板对天线辐射性能的影响，本发明在双极化对数周期天线的基础上，引入圆柱形金属背腔结构，该结构使得原来的双极化天线的辐射场得以约束，辐射方向图变窄，增益标高，辐射方向图的后瓣电平降低，有利于后续的测向算法的实现；加载的腔体的尺寸由电磁仿真方法获得；

其特征在于所述宽带双极化天线阵列的高分辨测向方法，天线单元个数N为6，天线单元为双极化形式，天线单元为相似元，第i个天线的相位中心的坐标是(x_i,y_i)，以(x_i,y_i)为坐标原点，天线单元i的水平通道的远区辐射电场表示为：

式中，I_iH为归算电流，λ为工作波长，为有效长度，为归一化的幅度方向图，为相位方向图，和分别为幅度和相位极化参数，为自由空间的波阻抗，为波数；以坐标o为原点，此时天线单元i的远区辐射电场表示为：

天线的有效高度矢量变为：

假设入射信号为：

式中，|S_in|和分别为入射信号的幅度和相位，γ_in和η_in分别为入射信号的幅度和相位极化角，于是，接收信号表示为：

同理可得在天线单元i的垂直通道的接收信号表示为：

因此，在考虑所有参数条件下，天线阵列的阵列流形矩阵可写为：

式中，为阵列控制矢量(导向矢量)；

在实际情况下，接收到的数据为：

数据的协方差矩阵为：

[R]＝[x]^H·[x] (11)；

对协方差矩阵进行特征值分解，求得特征值和特征向量，得到与信号相关的M个特征向量和与噪声相关的(N-M)＝(12-M)个特征向量，选择与最小特征值对应的特征向量，对于不相关的信号，最小特征值对应噪声的方差，构造由噪声特征向量张开的N×(N-M)维子空间，于是：

在到达角θ₁,θ₂,…θ_M处，噪声子空间特征向量与天线阵导向矢量正交，由于这种正交关系，可求得各个到达角θ₁,θ₂,…θ_M的欧氏距离将该距离表达式代入分母中，得到到达角的尖峰，MUSIC的伪谱为：