方向回溯天线15

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

12、两路混频器来的RF泄漏信号泄漏信号不是相位共轭的，在RF/IF端口是反相的并互相抵消。而中频信号中频信号是相位共轭的，在RF/IF端口是同相相加。5.975-6.025GHz频率范围变频增益是5dB，RF-IF之间的隔离优于20dB ，两个通道出来的LO信号信号在RF/IF端口是反相的，并互相抵消，实现良好的LO与RF/IF端口的隔离。RFLOff2234 4单元方向回溯阵列单元方向回溯阵列一个一个C C波段波段4 4单元方向回溯阵列，用共轭混频单元方向回溯阵列，用共轭混频电路，电路，天线阵元之间的间距约自由空间半波长。天线阵元之间的间距约自由空间半波长。每个天线有一个馈源，是接收和发射信号公

13、每个天线有一个馈源，是接收和发射信号公用的。用的。馈电网络用于分配馈电网络用于分配LOLO信号，同相位地送到每信号，同相位地送到每个天线单元。个天线单元。24单站雷达截面单站雷达截面(RCS)(RCS)分布图分布图由于方向回溯特性，方向回溯天线阵的单站雷达截面(RCS)分布图，可以简单地用单元方向性乘来波方向阵列方向性的平方给出。注意到，阵列方向性只乘了一次。这是因为接收信号是分别在每个单元天线产生，而没有合成。只有当来自每个单元天线的相位共轭信号在空间实现功率合成时才会出现阵因子。方向回溯天线阵的单站雷达截面(RCS)分布图应当没有零点。测量结果和理论预测值基本一致。25单站单站RCSRCS

14、图图 26双站雷达截面双站雷达截面方向回溯天线阵列的双站雷达截面)()(),(4),(2eineinocinbiDDDGcG其中是电路增益，),(inoD是天线阵方向性，eD是单元天线的方向性。27282930毫米波本振源太贵毫米波本振源太贵!? 在许多相位共轭电路中选择在许多相位共轭电路中选择LO频率为射频来波频率为射频来波RF的两倍，使得中频的两倍，使得中频IF频率等于射频频率等于射频RF频率。然而，频率。然而，这就意味着，开发一个这就意味着，开发一个60GHz的方向回溯天线阵列的方向回溯天线阵列就需要就需要120GHz的本振源。这就会严重限制相位共的本振源。这就会严重限制相位共轭技术在微

15、波频段的应用，因为频率越高振荡器越轭技术在微波频段的应用，因为频率越高振荡器越难实现，价格也更贵。难实现，价格也更贵。31分数谐波混频分数谐波混频英国（英国（Queens University of BelfastQueens University of Belfast）学者研究了基于分数）学者研究了基于分数谐波混频的无源相位共轭技术。谐波混频的无源相位共轭技术。用用LOLO的二次谐波与射频混频获得的二次谐波与射频混频获得IFIF。LO/RF/IFLO/RF/IF之间的隔离仍之间的隔离仍然用平衡混频器获得。然用平衡混频器获得。用一对平衡谐波混频器得到了超过用一对平衡谐波混频器得到了超过34dB

16、34dB的的LO-IFLO-IF隔离度，隔离度，超过超过36dB36dB的的RF-IFRF-IF隔离度，隔离度，其中其中LO=980MHzLO=980MHz，RF=990MHzRF=990MHz，IF=970MHzIF=970MHz。用这种混频器电路成功地获得方向回溯性能。用这种混频器电路成功地获得方向回溯性能。32共形方向回溯阵列天线共形方向回溯阵列天线方向回溯功能并不仅仅用于平面阵列天线。用相位方向回溯功能并不仅仅用于平面阵列天线。用相位共轭技术还可以实现共形方向回溯阵列天线。美国共轭技术还可以实现共形方向回溯阵列天线。美国（University of Hawaii at ManoaUni

17、versity of Hawaii at Manoa）学者实现了用自）学者实现了用自振混频器实现的振混频器实现的360360方向回溯天线阵列，方向回溯天线阵列，用自振混频器避免了外加用自振混频器避免了外加LOLO源及馈电网络。源及馈电网络。降低了整个电路系统的尺寸和重量。降低了整个电路系统的尺寸和重量。33用自振混频器实现的用自振混频器实现的360360方向回溯天线阵列方向回溯天线阵列 34HEMTHEMT自振混频器网格自振混频器网格是一个晶体管网络，由是一个晶体管网络，由96个个HEMT自振混频自振混频器组成的晶体管网格器组成的晶体管网格;按按244单元分布在介质圆柱表面的网格阵单元分布在介

18、质圆柱表面的网格阵;结构的对称性使得它可以对任意入射波（结构的对称性使得它可以对任意入射波（0-360）实现方向回溯。）实现方向回溯。RF信号与信号与LO的二次谐波混频完成相位共轭的二次谐波混频完成相位共轭过程。过程。35网格阵列全向辐射基频LO功率, 作为干扰信号，使未知观察者难以截获IF信号。源入射角分别是0，20， -25和-160,可以看到IF辐射方向图主瓣都指向了相应的源方向。双站双站RCSRCS36可重构方向回溯可重构方向回溯/ /接收阵列接收阵列多功能射频前端和可重构结合，给天线系统设计带多功能射频前端和可重构结合，给天线系统设计带来巨大的优越性。来巨大的优越性。能够适应多种无线

19、标准，并可以在多个频段工作。能够适应多种无线标准，并可以在多个频段工作。天生具有适应局部环境的能力，改善信号接收、抗天生具有适应局部环境的能力，改善信号接收、抗干扰和补偿多径效应的能力。干扰和补偿多径效应的能力。在使用同样硬件电路条件下，这样的可重构前端将在使用同样硬件电路条件下，这样的可重构前端将能够完成多种功能。能够完成多种功能。归功于电路系统的低成本，综合性和较少的硬件。归功于电路系统的低成本，综合性和较少的硬件。 37可重构方向回溯可重构方向回溯/ /直接下变频接收阵列直接下变频接收阵列构成的无线传感器构成的无线传感器 38构成无线传感器构成无线传感器两种类型的方向回溯阵列分别基于前端

20、混频器的相位两种类型的方向回溯阵列分别基于前端混频器的相位共轭和下变频。共轭和下变频。把这两种功能结合到一个混频器中，就能够简单地改把这两种功能结合到一个混频器中，就能够简单地改变变LO频率动态地重构天线。频率动态地重构天线。可重构、有源、方向回溯可重构、有源、方向回溯/直接下变频接收阵列可以构直接下变频接收阵列可以构成无线传感器。在接收模式，系统作为直接下变频成无线传感器。在接收模式，系统作为直接下变频接收机工作，储存从遥感传感器接收到的数据。接收机工作，储存从遥感传感器接收到的数据。39数据询问转发数据询问转发接收来自询问器的指令信号，作为方向回溯接收来自询问器的指令信号，作为方向回溯转发

21、器系统开始工作。发出储存的数据给询转发器系统开始工作。发出储存的数据给询问器。问器。然后，在规定时间限制之后，方向回溯阵列然后，在规定时间限制之后，方向回溯阵列返回到接收模式。返回到接收模式。天线阵的方向回溯功能提高了询问器和阵列天线阵的方向回溯功能提高了询问器和阵列之间的链路增益，而且不要求确认询问器的之间的链路增益，而且不要求确认询问器的准确位置。准确位置。40可重构电路方案可重构电路方案 多功能电路方案:接收天线接收到的信号经过低噪声放大器(LNA)放大，然后同相位加于FET混频器。用一组延迟线电路把LO信号馈入两路FET。在11.6GHz，LO信号相位差180，在2.9GHz相位偏差4

22、5。41单站RCS方向图。阵列被5.79GHz的入射波照射，用11.6GHz的LO信号驱动。单站RCS方向图应当没有任何零点，42全双工方向回溯阵列全双工方向回溯阵列43MichiganMichigan大学全双工系统方案大学全双工系统方案Michigan大学开发了一部方向回溯阵列，能够同时发射和接收数据。系统克服了提取包含在入射BPSK调制信号中的几何相位信息的困难。接收信号先下变频到一个较低的频率，然后放大, 得到共轭相位，使接收信号容易处理（频率低）。用一个边缘检测器把BPSK调制信号中载波恢复出来。恢复出来的载波被一个新的输出信号再调制，放大，变换到射频，然后以来波方向辐射出去。44自动

23、相位校正自动相位校正方向回溯阵列天线无需任何关于来波方向的方向回溯阵列天线无需任何关于来波方向的先验知识。在无线网络中用作发射先验知识。在无线网络中用作发射- -接收天线接收天线时，天线和移动用户之间的直接通信链路很时，天线和移动用户之间的直接通信链路很容易自动建立和保持，不需要任何复杂的检容易自动建立和保持，不需要任何复杂的检测相位和控制。测相位和控制。相位共轭天线还有自动相位校正能力，在都相位共轭天线还有自动相位校正能力，在都市环境下这种功能特别有用，可以自动校准市环境下这种功能特别有用，可以自动校准由于建筑物产生的多径效应。由于建筑物产生的多径效应。45超外差方向回溯阵列天线框图超外差方

24、向回溯阵列天线框图超外差技术是一个普遍采用的方法，天线阵每一个单元一个混频器。设计混频器使频率为 的RF信号与频率为 的LO信号混频。产生的中频信号(IF)与入射波RF信号相位共轭，并沿着来波方向辐射出去。0f02 f46空间空间LOLO馈电的方向回溯阵列天线馈电的方向回溯阵列天线方向回溯要求每一个信号相对于整个相位参考点是相位共轭的。为此，LO必须同相位馈入每个混频器。通常的方法是仔细地设计馈电网络，到每一个混频器的路径长度完全一样。图示尽管是一个很小的阵列，馈电网络会变得很大而且效率很低。馈电网路的传输线甚至会像天线那样辐射，从而损害天线的方向回溯特性。 通用的馈电方法仅适合阵元数比较少的

25、一维方向回溯天线。如果能够排除馈电网络，则有可能开发各种不同的阵列结构，并改善天线阵的辐射方向图，或者在给定孔径尺寸情况下使天线阵元数最少。47LOLO空间馈电的方向回溯天线空间馈电的方向回溯天线48用空间辐射方法馈送用空间辐射方法馈送LOLO信号信号在自由空间中用一个喇叭天线辐射在自由空间中用一个喇叭天线辐射LOLO信号。信号。天线贴片从基片的一边接收到天线贴片从基片的一边接收到LOLO信号，并把它输送到位于基信号，并把它输送到位于基片另一边的槽耦合混频器。片另一边的槽耦合混频器。LOLO喇叭天线必须是从远区照射天线阵，以减小阵列表面的相喇叭天线必须是从远区照射天线阵，以减小阵列表面的相位差

26、异位差异, ,远区照射要求天线阵和喇叭之间的距离很大。远区照射要求天线阵和喇叭之间的距离很大。有几个技术方法来减小溢出损耗，例如用电透镜，或者把喇有几个技术方法来减小溢出损耗，例如用电透镜，或者把喇叭放在近场区，调整馈线的长度补偿相位曲线。叭放在近场区，调整馈线的长度补偿相位曲线。对于小的相位弯曲对于小的相位弯曲(25)(25)仍然可以观察到方向回溯现象，这仍然可以观察到方向回溯现象，这样一来，就可以把喇叭天线放在较近的区域。样一来，就可以把喇叭天线放在较近的区域。49单元天线结构单元天线结构50天线结构天线结构阵列天线由两层电路组成，阵列天线由两层电路组成，LOLO贴片在基片的下层贴片在基片的下层,RF,RF和和IFIF电电路以及辐射单元在基片的上层。路以及辐射单元在基片的上层。单元之间相距半个单元之间相距半个RFRF波长。波长。RFRF和和IFIF贴片用正交极化隔离。贴片用正交极化隔离。通过减小通过减小IFIF后向辐射进入混频器后向辐射进入混频器RFRF端口的泄漏能量，使端口的泄漏能量，使RFRF和和IF IF 天线之间的空间分离有助于减少偶然震荡