1、1方向回溯天線方向回溯天線 Retro-directive array阮成禮電子科技大學(xué)2天線陣的功能天線陣的功能天線陣天線陣作為單一的大天線作為單一的大天線 實現(xiàn)單一波束定向輻射實現(xiàn)單一波束定向輻射; ;實現(xiàn)主波束掃描實現(xiàn)主波束掃描; ;控制副瓣?？刂聘卑?。3方向回溯天線陣特別功能方向回溯天線陣特別功能19641964年年AndreAndre和和LeonardLeonard， Rutz-PhillippRutz-Phillipp等人提出方等人提出方向回溯陣列天線有很多年了，向回溯陣列天線有很多年了，由于它在無線通信中的獨特應(yīng)用，在由于它在無線通信中的獨特應(yīng)用，在19901990年代后期年代后

2、期又引起人們的研究興趣。又引起人們的研究興趣。自動確定來波方向自動確定來波方向, ,而不要求任何關(guān)于輻射源方向的而不要求任何關(guān)于輻射源方向的先驗知識。先驗知識。與其他與其他DPS (digital signal processing)DPS (digital signal processing)波束控制天線波束控制天線陣比較，這種方法非常簡單，并且速度非?？?，因陣比較，這種方法非常簡單，并且速度非?？欤驗椴恍枰魏螖?shù)值計算。為不需要任何數(shù)值計算。4應(yīng)應(yīng) 用用方向回溯天線陣的自動波束控制特性適方向回溯天線陣的自動波束控制特性適合于合于RFIDRFID（radio frequency ident

3、ificationradio frequency identification）; ;燈塔微波引導(dǎo)燈塔微波引導(dǎo); ;移動通信移動通信, ,方向回溯天線陣的響應(yīng)是一個定向波束，方向回溯天線陣的響應(yīng)是一個定向波束，而不是全向波束，而不是全向波束，通信鏈路增益通信鏈路增益由于功率合成而由于功率合成而提高。提高。5提高通信鏈路增益提高通信鏈路增益一方面對發(fā)射機和接收機的一方面對發(fā)射機和接收機的負荷減輕負荷減輕了，同了，同時又保持了合適的通信鏈路增益。時又保持了合適的通信鏈路增益。降低了信號被未知第三者降低了信號被未知第三者截獲的概率截獲的概率，增加，增加了數(shù)據(jù)的安全性。了數(shù)據(jù)的安全性。提高通信系統(tǒng)的提

4、高通信系統(tǒng)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組互相垂直的金屬板構(gòu)成的角反射器是用一組互相垂直的金屬板構(gòu)成的角形反射體。角形反射體。入射電磁波經(jīng)過角反射器理想金屬面多次反入射電磁波經(jīng)過角反射器理想金屬面多次反射后返回來波方向。射后返回來波方向。角反射器可以用于增加目標反射率或者作為角反射器可以用于增加目標反射率或者作為雷達目標應(yīng)用雷達目標應(yīng)用(用于欺騙的假目標用于欺騙的假目標)。角反射器電尺寸太大，很難把它集成到電子角反射器電尺寸太大，很難把它集成到電子電路中去，限制了它在無線通信中的應(yīng)用。電路中去，限制了它在無線通信中的應(yīng)用。7假目標假目標金屬角反射器金屬角反射器RCSRCS

5、很大很大, ,可作橋梁等假目標用可作橋梁等假目標用. .入射波反射波8Van AttaVan Atta天線陣天線陣由（到天線陣中心距離相等的）天線單元對組成，并用等長傳輸線連接起來。天線接收的信號被成對成對天線單元再輻射出去,因此，再輻射單元的順序是依據(jù)到天線陣中心的距離排列的。為了得到方向回溯所需的合適相位，天線陣的相位梯度是相反的。9Van Atta Van Atta 天線陣方案天線陣方案 頻帶寬頻帶寬, ,難共形難共形10相位共軛方向回溯方案相位共軛方向回溯方案 11共軛混頻技術(shù)共軛混頻技術(shù)用共軛混頻技術(shù)共軛混頻技術(shù)在天線單元中產(chǎn)生相位共軛信號。這一方向回溯技術(shù)允許非平面波前和非平面布陣

6、。入射波(RF)與本振(LO)信號混頻，當本振頻率約是RF的兩倍時，下邊帶（中頻IF）信號和接收信號完全是相位共軛的。這樣一個相位共軛單元構(gòu)成的陣列可以輻射一個指向來波方向的定向波束。12無源方向回溯天線單元無源方向回溯天線單元 13相位共軛方程相位共軛方程 下邊帶信號相位與入射射頻信號共軛下邊帶信號相位與入射射頻信號共軛; ; 上邊帶信號相位與入射射頻信號同相。上邊帶信號相位與入射射頻信號同相。 )cos()cos(21)cos()cos(nRFLOnRFLOLORFLOLOnRFRFIFttVVtVtVV下邊帶下邊帶共軛共軛同相同相上邊帶上邊帶在非線性元件中在非線性元件中14消除消除泄漏泄

7、漏信號信號重要的是消除不要的信號，只留下需要的相位共軛重要的是消除不要的信號，只留下需要的相位共軛信號，然后把它從陣列輻射出去。信號，然后把它從陣列輻射出去。上邊帶上邊帶(3 )(3 )信號和本振信號和本振(2 )(2 )泄漏信號容易排除，泄漏信號容易排除，因為其頻率遠離相位共軛信號頻率。因為其頻率遠離相位共軛信號頻率。另一個信號必須加以抑制，即直接從輸入端泄漏進另一個信號必須加以抑制，即直接從輸入端泄漏進入相位共軛輸出端的入相位共軛輸出端的RFRF信號。泄漏進入的信號。泄漏進入的RFRF信號信號和和IFIF信號的頻率幾乎相等，但是相位不是共軛的。信號的頻率幾乎相等，但是相位不是共軛的。RFR

8、F15Snell定律確定RF泄漏信號的方向非共軛信號按照Snell定律確定的方向被再次輻射出去，因為相位梯度和入射波完全一樣。所以抑制RF泄漏信號是一個關(guān)鍵因素。IF 頻率和RF信號頻率一樣或者幾乎一樣，不可能用濾波器來區(qū)分兩個信號，通常用平衡混頻器來排除不需要的信號。16電磁脈沖彈電磁脈沖彈電磁脈沖彈目標投彈誤差圓17波束指向誤差波束指向誤差當當RF和和IF頻率稍不相同還是可以得到相位共軛信頻率稍不相同還是可以得到相位共軛信號。號。二者載頻之間的偏離將導(dǎo)致返回波束的指向誤差。二者載頻之間的偏離將導(dǎo)致返回波束的指向誤差。指向誤差的大小取決于指向誤差的大小取決于 ，以及入射波，以及入射波的角度。

9、這起因于一個簡單的事實，即陣列波束指的角度。這起因于一個簡單的事實，即陣列波束指向所需的遞進相移量是天線單元間距的函數(shù)。向所需的遞進相移量是天線單元間距的函數(shù)。IFRFf18柵柵 瓣瓣(Grating lobe)另一個設(shè)計所關(guān)心的是陣列間距。陣列間距應(yīng)當滿足條件indsin10以避免由于柵瓣出現(xiàn)而限制掃描角，其中 是來波的入射角。實際上這個條件并不是特別針對方向回溯天線陣的,一般來說，對所有的天線陣都是如此。對于從-90到90的全掃描天線，陣元間距應(yīng)當小于射頻信號的半波長。小的陣列間距可以避免柵瓣造成的掃描角限制，當陣列間距太大時柵瓣變成可見的了。in19相位翻轉(zhuǎn)相位翻轉(zhuǎn)要觀察方向回溯行為只需

10、把入射波相位翻轉(zhuǎn)。要觀察方向回溯行為只需把入射波相位翻轉(zhuǎn)。為了適合于遠距離通信，最好對出射波加以放大。為了適合于遠距離通信，最好對出射波加以放大。采用半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（采用半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MESFETsMESFETs）有源混頻器，）有源混頻器，除了混頻功能之外它還可以提供變頻增益。除了混頻功能之外它還可以提供變頻增益。使天線陣列向源方向輻射出放大了的信號而不需要使天線陣列向源方向輻射出放大了的信號而不需要附加的放大器。從而大大減小了電路尺寸和成本。附加的放大器。從而大大減小了電路尺寸和成本。20挑挑 戰(zhàn)戰(zhàn)(Challenge)設(shè)計相位共軛電路并提供設(shè)計相位共軛電路并提供RFRF和和IFI

11、F之間良好隔離。之間良好隔離。不可能用濾波器來實現(xiàn)這一目的，因為不可能用濾波器來實現(xiàn)這一目的，因為RFRF和和IFIF頻率頻率非常接近，甚至是相等的。非常接近，甚至是相等的。采用平衡混頻器實現(xiàn)采用平衡混頻器實現(xiàn)RFRF和和IFIF之間良好隔離。之間良好隔離。平衡混頻器的設(shè)計實例平衡混頻器的設(shè)計實例: :除了其中一路有一個除了其中一路有一個9090相相位（位（RFRF）延遲之外，兩路信號路徑是完全相同的。）延遲之外，兩路信號路徑是完全相同的。21簡單的有源相位共軛方案簡單的有源相位共軛方案 22隔離隔離90相位（RF）延遲線是抵消RF/IF端口反射的射頻信號，以實現(xiàn)RF-IF之間良好隔離。因為從

12、兩路混頻器來的RF泄漏信號泄漏信號不是相位共軛的，在RF/IF端口是反相的并互相抵消。而中頻信號中頻信號是相位共軛的，在RF/IF端口是同相相加。5.975-6.025GHz頻率范圍變頻增益是5dB，RF-IF之間的隔離優(yōu)于20dB ，兩個通道出來的LO信號信號在RF/IF端口是反相的，并互相抵消，實現(xiàn)良好的LO與RF/IF端口的隔離。RFLOff2234 4單元方向回溯陣列單元方向回溯陣列一個一個C C波段波段4 4單元方向回溯陣列，用共軛混頻單元方向回溯陣列，用共軛混頻電路，電路，天線陣元之間的間距約自由空間半波長。天線陣元之間的間距約自由空間半波長。每個天線有一個饋源，是接收和發(fā)射信號公

13、每個天線有一個饋源，是接收和發(fā)射信號公用的。用的。饋電網(wǎng)絡(luò)用于分配饋電網(wǎng)絡(luò)用于分配LOLO信號，同相位地送到每信號，同相位地送到每個天線單元。個天線單元。24單站雷達截面單站雷達截面(RCS)(RCS)分布圖分布圖由于方向回溯特性，方向回溯天線陣的單站雷達截面(RCS)分布圖，可以簡單地用單元方向性乘來波方向陣列方向性的平方給出。注意到，陣列方向性只乘了一次。這是因為接收信號是分別在每個單元天線產(chǎn)生，而沒有合成。只有當來自每個單元天線的相位共軛信號在空間實現(xiàn)功率合成時才會出現(xiàn)陣因子。方向回溯天線陣的單站雷達截面(RCS)分布圖應(yīng)當沒有零點。測量結(jié)果和理論預(yù)測值基本一致。25單站單站RCSRCS

14、圖圖 26雙站雷達截面雙站雷達截面方向回溯天線陣列的雙站雷達截面)()(),(4),(2eineinocinbiDDDGcG其中是電路增益，),(inoD是天線陣方向性，eD是單元天線的方向性。27282930毫米波本振源太貴毫米波本振源太貴!? 在許多相位共軛電路中選擇在許多相位共軛電路中選擇LO頻率為射頻來波頻率為射頻來波RF的兩倍，使得中頻的兩倍，使得中頻IF頻率等于射頻頻率等于射頻RF頻率。然而，頻率。然而，這就意味著，開發(fā)一個這就意味著，開發(fā)一個60GHz的方向回溯天線陣列的方向回溯天線陣列就需要就需要120GHz的本振源。這就會嚴重限制相位共的本振源。這就會嚴重限制相位共軛技術(shù)在微

15、波頻段的應(yīng)用，因為頻率越高振蕩器越軛技術(shù)在微波頻段的應(yīng)用，因為頻率越高振蕩器越難實現(xiàn)，價格也更貴。難實現(xiàn)，價格也更貴。31分數(shù)諧波混頻分數(shù)諧波混頻英國（英國（Queens University of BelfastQueens University of Belfast）學(xué)者研究了基于分數(shù)）學(xué)者研究了基于分數(shù)諧波混頻的無源相位共軛技術(shù)。諧波混頻的無源相位共軛技術(shù)。用用LOLO的二次諧波與射頻混頻獲得的二次諧波與射頻混頻獲得IFIF。LO/RF/IFLO/RF/IF之間的隔離仍之間的隔離仍然用平衡混頻器獲得。然用平衡混頻器獲得。用一對平衡諧波混頻器得到了超過用一對平衡諧波混頻器得到了超過34dB

16、34dB的的LO-IFLO-IF隔離度，隔離度，超過超過36dB36dB的的RF-IFRF-IF隔離度，隔離度，其中其中LO=980MHzLO=980MHz，RF=990MHzRF=990MHz，IF=970MHzIF=970MHz。用這種混頻器電路成功地獲得方向回溯性能。用這種混頻器電路成功地獲得方向回溯性能。32共形方向回溯陣列天線共形方向回溯陣列天線方向回溯功能并不僅僅用于平面陣列天線。用相位方向回溯功能并不僅僅用于平面陣列天線。用相位共軛技術(shù)還可以實現(xiàn)共形方向回溯陣列天線。美國共軛技術(shù)還可以實現(xiàn)共形方向回溯陣列天線。美國（University of Hawaii at ManoaUni

17、versity of Hawaii at Manoa）學(xué)者實現(xiàn)了用自）學(xué)者實現(xiàn)了用自振混頻器實現(xiàn)的振混頻器實現(xiàn)的360360方向回溯天線陣列，方向回溯天線陣列，用自振混頻器避免了外加用自振混頻器避免了外加LOLO源及饋電網(wǎng)絡(luò)。源及饋電網(wǎng)絡(luò)。降低了整個電路系統(tǒng)的尺寸和重量。降低了整個電路系統(tǒng)的尺寸和重量。33用自振混頻器實現(xiàn)的用自振混頻器實現(xiàn)的360360方向回溯天線陣列方向回溯天線陣列 34HEMTHEMT自振混頻器網(wǎng)格自振混頻器網(wǎng)格是一個晶體管網(wǎng)絡(luò)，由是一個晶體管網(wǎng)絡(luò)，由96個個HEMT自振混頻自振混頻器組成的晶體管網(wǎng)格器組成的晶體管網(wǎng)格;按按244單元分布在介質(zhì)圓柱表面的網(wǎng)格陣單元分布在介

18、質(zhì)圓柱表面的網(wǎng)格陣;結(jié)構(gòu)的對稱性使得它可以對任意入射波（結(jié)構(gòu)的對稱性使得它可以對任意入射波（0-360）實現(xiàn)方向回溯。）實現(xiàn)方向回溯。RF信號與信號與LO的二次諧波混頻完成相位共軛的二次諧波混頻完成相位共軛過程。過程。35網(wǎng)格陣列全向輻射基頻LO功率, 作為干擾信號，使未知觀察者難以截獲IF信號。源入射角分別是0，20， -25和-160,可以看到IF輻射方向圖主瓣都指向了相應(yīng)的源方向。雙站雙站RCSRCS36可重構(gòu)方向回溯可重構(gòu)方向回溯/ /接收陣列接收陣列多功能射頻前端和可重構(gòu)結(jié)合，給天線系統(tǒng)設(shè)計帶多功能射頻前端和可重構(gòu)結(jié)合，給天線系統(tǒng)設(shè)計帶來巨大的優(yōu)越性。來巨大的優(yōu)越性。能夠適應(yīng)多種無線

19、標準，并可以在多個頻段工作。能夠適應(yīng)多種無線標準，并可以在多個頻段工作。天生具有適應(yīng)局部環(huán)境的能力，改善信號接收、抗天生具有適應(yīng)局部環(huán)境的能力，改善信號接收、抗干擾和補償多徑效應(yīng)的能力。干擾和補償多徑效應(yīng)的能力。在使用同樣硬件電路條件下，這樣的可重構(gòu)前端將在使用同樣硬件電路條件下，這樣的可重構(gòu)前端將能夠完成多種功能。能夠完成多種功能。歸功于電路系統(tǒng)的低成本，綜合性和較少的硬件。歸功于電路系統(tǒng)的低成本，綜合性和較少的硬件。 37可重構(gòu)方向回溯可重構(gòu)方向回溯/ /直接下變頻接收陣列直接下變頻接收陣列構(gòu)成的無線傳感器構(gòu)成的無線傳感器 38構(gòu)成無線傳感器構(gòu)成無線傳感器兩種類型的方向回溯陣列分別基于前端

20、混頻器的相位兩種類型的方向回溯陣列分別基于前端混頻器的相位共軛和下變頻。共軛和下變頻。把這兩種功能結(jié)合到一個混頻器中，就能夠簡單地改把這兩種功能結(jié)合到一個混頻器中，就能夠簡單地改變變LO頻率動態(tài)地重構(gòu)天線。頻率動態(tài)地重構(gòu)天線?？芍貥?gòu)、有源、方向回溯可重構(gòu)、有源、方向回溯/直接下變頻接收陣列可以構(gòu)直接下變頻接收陣列可以構(gòu)成無線傳感器。在接收模式，系統(tǒng)作為直接下變頻成無線傳感器。在接收模式，系統(tǒng)作為直接下變頻接收機工作，儲存從遙感傳感器接收到的數(shù)據(jù)。接收機工作，儲存從遙感傳感器接收到的數(shù)據(jù)。39數(shù)據(jù)詢問轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)詢問轉(zhuǎn)發(fā)接收來自詢問器的指令信號，作為方向回溯接收來自詢問器的指令信號，作為方向回溯轉(zhuǎn)發(fā)

21、器系統(tǒng)開始工作。發(fā)出儲存的數(shù)據(jù)給詢轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)開始工作。發(fā)出儲存的數(shù)據(jù)給詢問器。問器。然后，在規(guī)定時間限制之后，方向回溯陣列然后，在規(guī)定時間限制之后，方向回溯陣列返回到接收模式。返回到接收模式。天線陣的方向回溯功能提高了詢問器和陣列天線陣的方向回溯功能提高了詢問器和陣列之間的鏈路增益，而且不要求確認詢問器的之間的鏈路增益，而且不要求確認詢問器的準確位置。準確位置。40可重構(gòu)電路方案可重構(gòu)電路方案 多功能電路方案:接收天線接收到的信號經(jīng)過低噪聲放大器(LNA)放大，然后同相位加于FET混頻器。用一組延遲線電路把LO信號饋入兩路FET。在11.6GHz，LO信號相位差180，在2.9GHz相位偏差4

22、5。41單站RCS方向圖。陣列被5.79GHz的入射波照射，用11.6GHz的LO信號驅(qū)動。單站RCS方向圖應(yīng)當沒有任何零點，42全雙工方向回溯陣列全雙工方向回溯陣列43MichiganMichigan大學(xué)全雙工系統(tǒng)方案大學(xué)全雙工系統(tǒng)方案Michigan大學(xué)開發(fā)了一部方向回溯陣列，能夠同時發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)克服了提取包含在入射BPSK調(diào)制信號中的幾何相位信息的困難。接收信號先下變頻到一個較低的頻率，然后放大, 得到共軛相位，使接收信號容易處理（頻率低）。用一個邊緣檢測器把BPSK調(diào)制信號中載波恢復(fù)出來?；謴?fù)出來的載波被一個新的輸出信號再調(diào)制，放大，變換到射頻，然后以來波方向輻射出去。44自動

23、相位校正自動相位校正方向回溯陣列天線無需任何關(guān)于來波方向的方向回溯陣列天線無需任何關(guān)于來波方向的先驗知識。在無線網(wǎng)絡(luò)中用作發(fā)射先驗知識。在無線網(wǎng)絡(luò)中用作發(fā)射- -接收天線接收天線時，天線和移動用戶之間的直接通信鏈路很時，天線和移動用戶之間的直接通信鏈路很容易自動建立和保持，不需要任何復(fù)雜的檢容易自動建立和保持，不需要任何復(fù)雜的檢測相位和控制。測相位和控制。相位共軛天線還有自動相位校正能力，在都相位共軛天線還有自動相位校正能力，在都市環(huán)境下這種功能特別有用，可以自動校準市環(huán)境下這種功能特別有用，可以自動校準由于建筑物產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。由于建筑物產(chǎn)生的多徑效應(yīng)。45超外差方向回溯陣列天線框圖超外差方

24、向回溯陣列天線框圖超外差技術(shù)是一個普遍采用的方法，天線陣每一個單元一個混頻器。設(shè)計混頻器使頻率為 的RF信號與頻率為 的LO信號混頻。產(chǎn)生的中頻信號(IF)與入射波RF信號相位共軛，并沿著來波方向輻射出去。0f02 f46空間空間LOLO饋電的方向回溯陣列天線饋電的方向回溯陣列天線方向回溯要求每一個信號相對于整個相位參考點是相位共軛的。為此，LO必須同相位饋入每個混頻器。通常的方法是仔細地設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，到每一個混頻器的路徑長度完全一樣。圖示盡管是一個很小的陣列，饋電網(wǎng)絡(luò)會變得很大而且效率很低。饋電網(wǎng)路的傳輸線甚至?xí)裉炀€那樣輻射，從而損害天線的方向回溯特性。 通用的饋電方法僅適合陣元數(shù)比較少的

25、一維方向回溯天線。如果能夠排除饋電網(wǎng)絡(luò)，則有可能開發(fā)各種不同的陣列結(jié)構(gòu)，并改善天線陣的輻射方向圖，或者在給定孔徑尺寸情況下使天線陣元數(shù)最少。47LOLO空間饋電的方向回溯天線空間饋電的方向回溯天線48用空間輻射方法饋送用空間輻射方法饋送LOLO信號信號在自由空間中用一個喇叭天線輻射在自由空間中用一個喇叭天線輻射LOLO信號。信號。天線貼片從基片的一邊接收到天線貼片從基片的一邊接收到LOLO信號，并把它輸送到位于基信號，并把它輸送到位于基片另一邊的槽耦合混頻器。片另一邊的槽耦合混頻器。LOLO喇叭天線必須是從遠區(qū)照射天線陣，以減小陣列表面的相喇叭天線必須是從遠區(qū)照射天線陣，以減小陣列表面的相位差

26、異位差異, ,遠區(qū)照射要求天線陣和喇叭之間的距離很大。遠區(qū)照射要求天線陣和喇叭之間的距離很大。有幾個技術(shù)方法來減小溢出損耗，例如用電透鏡，或者把喇有幾個技術(shù)方法來減小溢出損耗，例如用電透鏡，或者把喇叭放在近場區(qū)，調(diào)整饋線的長度補償相位曲線。叭放在近場區(qū)，調(diào)整饋線的長度補償相位曲線。對于小的相位彎曲對于小的相位彎曲(25)(25)仍然可以觀察到方向回溯現(xiàn)象，這仍然可以觀察到方向回溯現(xiàn)象，這樣一來，就可以把喇叭天線放在較近的區(qū)域。樣一來，就可以把喇叭天線放在較近的區(qū)域。49單元天線結(jié)構(gòu)單元天線結(jié)構(gòu)50天線結(jié)構(gòu)天線結(jié)構(gòu)陣列天線由兩層電路組成，陣列天線由兩層電路組成，LOLO貼片在基片的下層貼片在基片的下層,RF,RF和和IFIF電電路以及輻射單元在基片的上層。路以及輻射單元在基片的上層。單元之間相距半個單元之間相距半個RFRF波長。波長。RFRF和和IFIF貼片用正交極化隔離。貼片用正交極化隔離。通過減小通過減小IFIF后向輻射進入混頻器后向輻射進入混頻器RFRF端口的泄漏能量，使端口的泄漏能量，使RFRF和和IF IF 天線之間的空間分離有助于減少偶然震蕩