大规模面阵分级波束形成算法研究刘潇刘宝蕊窦修全陈卫东摘要：为了解决大规模阵列宽带数字波束形成系统实现复杂这一问题，结合子阵内波束合成对相位不敏感的特性，设计了一种基于子阵的分级波束形成算法。首先根据阵列合成带宽、频段、阵列规模等信息参数确定子阵规模，在子阵内利用移相器进行移相处理，实现窄带模拟波束合成;其次在子阵间利用FIR滤波器对宽带信号进行时延的精确控制，实现宽带数字波束合成，从而完成对子阵内波束合成误差的调整;最后对大规模面阵分级波束形成算法进行仿真试验。结果表明：基于子阵的分级波束形成算法能够实现满足要求的波束性能指标，同时可以有效降低大规模面阵宽带数字波束形成系统的实现复杂度。所设计的基于子阵的分级波束形成算法可应用在大規模相控阵波束形成中，对工程实现有一定的参考价值。关键词：微波技术;分级波束形成;大规模面阵;宽带信号;波束形成器：TN911.2：ADOI：10.7535/hbgykj.2022yx01003Abstract：Inordertosolvetheproblemofcompleximplementationoflarge-scalearraybroadbanddigitalbeamformingsystem，combinedwiththephaseinsensitivecharacteristicofbeamforminginsubarrays，ahierarchicalbeamformingalgorithmbasedonsubarrayswasdesigned.Firstly，thesizeofthesub-arraywasdeterminedaccordingtotheinformationparameterssuchasthearraysynthesisbandwidth，frequencyband，andarraysize.Thephaseshiftprocessinginthesub-arraywasperformedtoachievenarrow-bandanalogbeamsynthesisbyusingaphaseshifter.Secondly，theFIRfilterswereusedtopreciselycontrolthetimedelayofthebroadbandsignalbetweenthesub-arraystorealizethebroadbanddigitalbeamsynthesis，therebytheadjustmentofthebeamsynthesiserrorinthesub-arraywascompleted.Finally，asimulationtestonthelarge-scaleareaarrayhierarchicalbeamformingalgorithmwasperformed.Theresultsshowthatthesub-array-basedhierarchicalbeamformingalgorithmcanachievetherequiredbeamperformanceindicators，andatthesametimeitcaneffectivelyreducetheimplementationcomplexityofthelarge-scaleareaarraybroadbanddigitalbeamformingsystem.Thedesignedsub-array-basedhierarchicalbeamformingalgorithmcanbeappliedtolarge-scalephasedarraybeamforming，whichhascertainreferencevalueforengineeringrealization.Keywords：microwavetechnology;hierarchicalbeamforming;large-scaleareaarray;broadbandsignal;beamformer相比于传统的单天线，相控阵天线通过电扫描的方式调整阵元接收信号的相位，实现波束的指向调整，不仅实现简单，还可以满足实时性的要求，因此相控阵在许多领域得到了广泛的应用[1]。波束形成技术是相控阵系统的关键技术之一[2]，其形成方法和算法设计的研究很重要。平面阵列具有空间增益高、形状灵活、方向图容易控制等优点[3]，已获得广泛应用。目前，大规模面阵的波束形成主要分为模拟波束形成和数字波束形成两种方式。如果全采用模拟波束形成方式，在现有模拟器件的精度下，该方式具有幅相控制精度低、旁瓣电平控制差、硬件集成难度大、多路波束成本线性增加的缺点。如果全采用数字波束形成，在现有数字器件的精度下，该方式具有幅度相位时延精确控制、旁瓣电平控制好的优点，但硬件集成复杂度高、多路波束成本高。综合模拟与数字波束形成的优缺点，本文研究大规模面阵分级波束形成算法，即子阵内采用模拟波束形成，子阵间采用数字波束形成。以矩形平面阵为例进行大规模面阵建模，然后介绍分级波束形成算法的原理，并提出了一种具备干扰抑制能力的恒定束宽FIR波束形成器设计方法，最后对分级波束形成算法进行仿真试验，并与直接宽带波束形成算法进行对比，验证分级波束形成方法的有效性。1大规模面阵建模平面阵列可以在方位和俯仰2个维度上同时实现波束扫描[4]。矩形均匀平面阵[5]的结构如图1所示，所有阵元分布在xoy平面上。该矩形均匀平面阵由Mx×My个阵元构成，dx和dy分别为平行于x轴和y轴方向上的阵元间距。θ和φ分别表示入射信...