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摘要
相控阵天线在通信和雷达系统中有着广泛的应用，但是在所有的距离范围内，波束指向都是固定的。针对线性频率分集阵列（FDA），提出了一种基于离散椭球序列的距离-角度相关波束合成方案，其目标是将发射能量集中在所需的二维空间截面上。与常规相控阵不同，FDA采用了与阵列单元上的载波频率相比较小的频率增量。距离-角度相关波束图合成方法允许FDA在期望的距离或角度扇区上发射能量。这提供了抑制距离相关的杂波和干扰的可能性，而这对于常规相控阵是无法实现的。通过输出信号干扰噪声比（SINR）来评价所提出的FDA的系统性能。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。
引言
相控阵广泛用于许多现代通信、雷达和导航系统[1]-[5]。相控阵提供了一个方向增益，这是非常有用的检测/跟踪弱目标在雷达的视线方向，同时抑制强旁瓣干扰从其他方向。然而，相控阵有一个局限性，即波束转向在所有范围内都固定在一个角度上。这限制了它减轻不期望的距离相关干扰，从而降低了它识别距离相关目标的能力。此外，如果我们想要将发射能量集中在具有不同范围的方向上[6]-[8]，则应该采用多个天线或多波束天线。
最近，在[9]-[13]中介绍了一种柔性波束扫描阵列，称为频率分集阵列（FDA）。注意，本文中讨论的FDA不同于一般的多输入多输出（MIMO）阵列[14]-[17]，其中在每个MIMO天线中采用正交波形。FDA与传统相控阵天线最重要的区别是在阵元之间使用了一个小的频率增量。在[9]中认识到，FDA的表观波束转向角可以在其真实的波束空间之外。这为系统设计者提供了更大的自由度和随后的附加能力。在[18]中提出，通过利用包括空间、时间、频率和调制在内的自由度，形成的FDA可以同时提供多个任务。两项关于FDA雷达的专利已经发布[19]，[20]，其中讨论了增加的自由度。在[21]中模拟了连续FDA射束扫描特征。在[22]中，从模拟的角度研究了FDA，并提出了低成本FDA设计。在[23]-[25]中提出了其他研究，以利用范围依赖性和周期性FDA波束图特征。特别地，Higgins和Blunt [25]探索了具有频率不同的线性调频信号的距离和角度耦合波束形成。[25]的作者还以类似于传统MIMO阵列的方式研究了波形模糊图。将FDA应用于雷达高分辨率成像的益处见[26]-[28]。
FDA近年来受到了相当大的关注，然而，大多数已发表的工作主要集中在分析与距离相关的波束图特性。一个悬而未决的问题是如何在期望的范围内精确地操纵波束方向，因为波束图案在范围和角度响应中耦合。FDA表观扫描角度不等于标称扫描角度，这意味着精确的波束转向取决于范围和角度参数。因此，它不足以像传统的相控阵天线那样精确地控制波束;然而，FDA为天线波束图的设计和控制提供了范围、角度和时间方面的新自由度。这提供了在不需要移相器或机械操纵的情况下进行波束扫描的可能性。这也提供了一个潜在的设计距离-角度相关的发射波束图。在[29]中，基于准连续波形（QCW）提出了一种惩罚函数，并通过遗传算法进行了优化，旨在减小动态范围。作者只考虑了波形优化和距离维信号处理，但FDA要求进行二维处理。
在本文中，我提出了一种线性FDA的与距离角相关的波束图合成方案，旨在将传输能量集中在所需的二维空间部分。波束图设计广泛用于阵列处理中，以提供各种性能改进，例如减少计算负担[30]、增强的波束成形性能[31]-[33]以及改进的到达方向（DOA）估计性能[34]、[35]。然而，大多数传统的波束空间设计技术的缺点在于，它们基本上忽略了位于感兴趣的波束空间扇区之外的干扰。因此，当前波束图案合成技术对这种扇区外的鲁棒性对于一些应用可能是不够的。在给定二维波束角扇区的情况下，本文提出的波束方向图合成方法对扇区外干扰，特别是距离相关干扰具有较好的鲁棒性。波束空间合成矩阵被设计为满足扇区内和扇区外要求之间的某种折衷的矩阵滤波器。在此基础上，对距离-角度相关的波束形成性能进行了分析，推导出了基于距离-角度相关的波束形成算法。
文章插图
结论
近年来，FDA受到了广泛的关注，但是，关于距离-角度相关波束形成及其应用的研究还很有限。论文提出了一种距离-角度相关的波束方向图合成方法，将距离-角度相关的波束方向图进行合成线性FDA的方法。所提出的距离-角度相关的波束方向图合成方法允许FDA将发射能量聚焦在期望的距离或角度部分。这为抑制距离-角度相关的杂波和干扰提供了一种潜在的解决方案，而这对于传统的相控阵是无法实现的。建立了FDA信号模型，提出了距离-角度相关的波束合成方案。通过对发射-接收波束图和输出SINR增益的分析，检验了波束形成性能。进行了大量的数值模拟算例。仿真结果表明，该阵列的SINR性能优于传统相控阵。更重要的是，FDA提供了一种距离-角度相关的波束方向图，其可以用于抑制距离-角度相关的干扰，特别是抑制传统相控阵无法达到的距离相关的干扰。请注意，由于我们主要考虑发射波束方向图合成，且频率增量远小于载波频率（），因此本文忽略了多普勒效应。然而，我们意识到，当多普勒效应不能忽略时，在后续工作中还需要进行进一步的研究。另一个后续工作是为FDA开发自适应波束形成算法，因为本文只考虑了非自适应波束形成算法。
MATLAB仿真结果
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