【摘要】 近年來，隨著人類對(duì)電磁波傳播理論的深入研究，以及對(duì)深空探測(cè)活動(dòng)的不斷探索，天線組陣技術(shù)由于其低成本、高性能、高可靠性以及高靈活度等諸多優(yōu)點(diǎn)，受到了中外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在高速率深空通信中具有良好的應(yīng)用前景。本文在對(duì)國內(nèi)外天線組陣研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)后，分析了在高速率深空通信中實(shí)現(xiàn)天線組陣的關(guān)鍵難點(diǎn)；針對(duì)其通信頻帶內(nèi)的相位特性，研究了子頻帶分割與接收信號(hào)重建技術(shù)；并在進(jìn)一步完善了經(jīng)典相關(guān)算法理論體系后，提出了新的高性能自適應(yīng)相關(guān)算法；最終設(shè)計(jì)出了適用于高速率深空通信的天線組陣仿真系統(tǒng)；另一方面，針對(duì)可用于天線組陣原理樣機(jī)的功分器與阻抗變換器進(jìn)行了深入研究。本文所取得的主要研究成果為如下：1.在高速率深空通信中實(shí)現(xiàn)天線組陣的關(guān)鍵難點(diǎn)。經(jīng)過系統(tǒng)的分析、推導(dǎo)與研究，得出了本課題中所需解決的關(guān)鍵問題與技術(shù)難點(diǎn)主要包括：在極低接收信噪比條件下快速、準(zhǔn)確的獲得各接收信號(hào)間的相位關(guān)系；消除在通信頻帶內(nèi)上述相位值分布的2π模糊現(xiàn)象，及其引起的時(shí)延計(jì)算值錯(cuò)誤；降低由時(shí)延校正殘余量帶來的頻帶內(nèi)相位滑動(dòng)現(xiàn)象，及其導(dǎo)致的信號(hào)間相關(guān)性下降。2.子頻帶分割與接收信號(hào)重建技術(shù)在天線組陣中的應(yīng)用。針對(duì)天線組陣中高速率寬帶信號(hào)合成面臨的2π模糊和相位滑動(dòng)現(xiàn)象，論述了子頻帶分割技術(shù)在天線組陣中的應(yīng)用原理，通過理論分析與推導(dǎo)得出了不同條件下滿足信號(hào)合成要求所需的子頻帶數(shù)目，并提出了相應(yīng)子頻帶分割方法所能實(shí)現(xiàn)的時(shí)延差校正范圍。然后，將多相濾波器組信道器應(yīng)用于對(duì)接收信號(hào)的分割與重建中，設(shè)計(jì)了可重建的512路信道分解器與合成器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)頻譜信號(hào)進(jìn)行有效的頻帶分割與重建，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同子頻帶數(shù)目下對(duì)于QPSK調(diào)制信號(hào)的重建誤差以及對(duì)子頻帶相位信息完成解卷繞后系統(tǒng)的時(shí)延差校正能力。3.經(jīng)典相關(guān)算法理論體系的完善。首先，推導(dǎo)出了Matrix-Free算法的合成性能估算公式，并與文獻(xiàn)中SUMPLE算法的合成性能估算公式做對(duì)比，得出Matrix-Free算法在相同條件下的合成損失低于SUMPLE算法。然后，通過引入天線陣接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣，推導(dǎo)出了SUMPLE算法收斂速率的依賴關(guān)系，得出在相同條件下SUMPLE算法比Matrix-Free算法擁有更快的收斂速度。4.高性能相關(guān)算法的研究。首先，通過分析Matrix-Free算法和SUMPLE算法在運(yùn)行過程中權(quán)值更新量方差的特性，找到了其隨迭代計(jì)算過程運(yùn)行的變化趨勢(shì)，并給出了兩種算法的權(quán)值更新量方差的估計(jì)方法。然后，通過引入Sigmoid函數(shù)，以權(quán)值更新量方差作為引導(dǎo)參數(shù)，提出了一種高性能的自適應(yīng)相關(guān)算法。在不增加運(yùn)算空間復(fù)雜度的情況下，SVS-MF算法具有與Matrix-Free算法接近的合成效率以及與SUMPLE算法接近的收斂速度，從而具有最優(yōu)的綜合性能。5.參數(shù)化天線組陣技術(shù)仿真系統(tǒng)的研究。提出了適用于高速率深空通信中天線組陣技術(shù)的信號(hào)合成方案，并基于SVS-MF相關(guān)算法以及子頻帶分割與重建技術(shù)設(shè)計(jì)了參數(shù)靈活可調(diào)的天線組陣仿真系統(tǒng)。在進(jìn)行了大量仿真試驗(yàn)后得出，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)平均間隔，仿真系統(tǒng)可以針對(duì)不同的組陣形式在極低的接收信噪比下實(shí)現(xiàn)較高的合成性能，并實(shí)時(shí)評(píng)估合成損失。6.可用于天線組陣技術(shù)演示驗(yàn)證系統(tǒng)的微波器件設(shè)計(jì)。針對(duì)天線組陣演示驗(yàn)證系統(tǒng)，對(duì)其中的關(guān)鍵器件多頻帶功分器以及阻抗變換器進(jìn)行了深入的研究。首先，提出了一種緊湊型雙頻雙路功率分配器設(shè)計(jì)方法，并對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行了性能評(píng)估。另一方面，提出了一種四頻帶阻抗變換理論以及閉合的設(shè)計(jì)公式，其可以在三個(gè)不相關(guān)頻率以及一個(gè)受約束頻率上實(shí)現(xiàn)完美的實(shí)阻抗變換。 

第一章 緒論

§1.1 研究背景與意義
自從人類文明誕生以來，我們對(duì)宇宙的好奇與探索就從未停止過。仰望蒼穹，映入眼簾的點(diǎn)點(diǎn)繁星激起了人們對(duì)星空的無限渴望。于是，眼睛成為了太空探索最初的工具。古人通過使用肉眼觀察星球的位置、運(yùn)動(dòng)以及明暗來指導(dǎo)經(jīng)濟(jì)、軍事等活動(dòng)。古希臘天文學(xué)家 Aristarchus 通過肉眼對(duì)月球的觀測(cè)提出了最原始的太陽系模型[1]。從公元 1609 年開始，Galileo 使用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)星空進(jìn)行了一系列觀測(cè)[2]。通過這些觀測(cè)，他發(fā)現(xiàn)了月球表面的凹凸性、木星的衛(wèi)星、太陽黑子以及銀河是由大量恒星組成。這是人類首次將望遠(yuǎn)鏡投入到科學(xué)研究中。此后，無線電技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展更是使人類具有了一件探索宇宙的超級(jí)武器。1931 年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Jansky 首次使用天線陣列接收到來自銀河系的無線電波，開創(chuàng)了天線技術(shù)應(yīng)用于天文學(xué)的先河[3]。
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，人類早已不滿足于在地球上觀測(cè)宇宙。大推力火箭的成功應(yīng)用，終于使人類邁出了走出地球的第一步。1959 年 1 月 2 日，蘇聯(lián)成功發(fā)射了人類第一個(gè)星際探測(cè)器“月球 1 號(hào)”[4]。從此，使用航天器對(duì)宇宙及其天體進(jìn)行探測(cè)的時(shí)代拉開了序幕。而所有的這些航天器，都通過電磁波與地面站保持聯(lián)系。這種對(duì)航天器進(jìn)行跟蹤測(cè)軌、遙測(cè)、遙控及通信的活動(dòng)被稱為測(cè)控通信（C&T）[5]。人類發(fā)射的航天器飛的越來越遠(yuǎn)，其中最具代表的旅行者 1 號(hào)（Voyager1）于 1977 年 9 月 5 日發(fā)射，在于 1980 年完成了木星任務(wù)后又進(jìn)行了其他太陽系行星的任務(wù)，并且開始了向太陽系外的銀河系空間飛行。1988 年之前，世界無線電管理大會(huì)（World Administrative Radio Conference，WARC）將地球與月球的平局距離（3.8×105公里）作為深空宇宙的分界線[6]。1988 年，世界無線電大會(huì)明確的將距離地球 2×106公里以外的宇宙空間稱為深空[7]，深空探測(cè)的時(shí)代終于到來。
隨著通信距離的增加，自由空間傳播損耗越來越大[8]，到達(dá)地球的信號(hào)功率也就越來越弱[9]，于是地面天線站的接收信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）也就越來越低[10]。而信噪比降低則會(huì)導(dǎo)致誤碼率增加[11]，所以必須通過降低通信的數(shù)據(jù)速率來降低誤碼率[12]，，于是大大的降低了數(shù)據(jù)返回量[13]。由于接收機(jī)輸入端的信噪比取決于地球站的靈敏度因子 G/T 值[14-17]，因此人們通過建造大口徑反射面天線來增加接收天線的增益[18]，并使用先進(jìn)的制冷技術(shù)降低接收機(jī)系統(tǒng)噪聲來提高G/T 值[19-21]。美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）與加州理工學(xué)院聯(lián)合管理的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）于 1958 年建立了口徑達(dá)到 26 米工作在 L 波段（960MHz）的卡塞格倫天線[22]。于是，各種大口徑低噪聲天線系統(tǒng)開始被廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)中。1989 年為了配合旅行者號(hào)掠過木星，NASA 將原有的 64 米天線升級(jí)為 70 米，該項(xiàng)工程實(shí)現(xiàn)了在 X 波段近 1.9dB 的性能提高[23]。
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§1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從上世紀(jì) 50 年代末開始，NASA 先后在美國加利福尼亞州的戈?duì)柕滤诡D、西班牙的馬德里和澳大利亞的堪培拉建立了三個(gè)深空站。這三個(gè)深空站每隔 120°均勻分布于地球表面，可以完成對(duì)深空探測(cè)器 24 小時(shí)全天候的測(cè)控通信任務(wù)。
由于從國際彗星探測(cè)器 3 號(hào)任務(wù)中獲得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在 20 世紀(jì) 80 年代旅行者 2 號(hào)（Voyager 2）探測(cè)器與海王星相遇時(shí)，NASA 使用了位于 Goldstone的70米大天線和2個(gè)34米的天線與射電天文協(xié)會(huì)的27個(gè)天線組成大規(guī)模天線陣，并得到了超過預(yù)期的數(shù)據(jù)返回量[24]。于是天線組陣技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于深空測(cè)控通信中。
1.2.1 組陣技術(shù)研究現(xiàn)狀
目前，共有五種基本的組陣方案被用來實(shí)現(xiàn)合成深空探測(cè)器的回傳信號(hào)[35]。這些合成方案分別為：
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第二章 深空通信中天線組陣技術(shù)的原理及難點(diǎn)

§2.1 引言
經(jīng)過幾十年的探索與實(shí)踐，天線組陣技術(shù)在深空通信中逐漸開始發(fā)揮越來越重要的作用。但是，目前的通信任務(wù)即使是下行鏈路往往也僅局限于較低的數(shù)據(jù)速率，極大的限制了科研任務(wù)的數(shù)據(jù)返回量。在此情況下，需要天線組陣技術(shù)發(fā)揮其應(yīng)有的作用。但是，將天線組陣應(yīng)用于高速率深空通信具有大量的技術(shù)難題，尤其是在寬帶信號(hào)合成領(lǐng)域，而信號(hào)合成又是天線組陣技術(shù)的核心問題。所以，本節(jié)以寬帶信號(hào)合成為重點(diǎn)，系統(tǒng)闡述了天線組陣技術(shù)的工作原理，研究并分析了其應(yīng)用在高速率深空通信中的技術(shù)難點(diǎn)，為后文中有針對(duì)性的解決這些問題指明了方向。
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§2.2 深空通信中天線組陣技術(shù)的概念
天線站的靈敏度因子 G/T 值在很大程度上決定了接收信號(hào)的的信噪比，天線組陣技術(shù)的核心目標(biāo)就是累加陣列內(nèi)所有天線的 G/T 值。換言之，理想陣的合成靈敏度因子就是各天線站的單元靈敏度因子的代數(shù)和[24]，其關(guān)系式為：
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第三章 子頻帶分割與近似完全重建技術(shù).................... 39-55 
§3.1 引言 ............................39 
§3.2 子頻帶分割技術(shù).......................... 39-41 
§3.3 多相濾波器組信道器原理與設(shè)計(jì)方法................... 41-47 
3.3.1 多相濾波器組信道器原理................ 41-45 
3.3.2 2fs/M 樣本率的信道分解器設(shè)計(jì)方法.............. 45-46 
3.3.3 2fs/M 樣本率的信道合成器設(shè)計(jì)方法 .....................46-47 
§3.4 應(yīng)用于寬帶信號(hào)合成的信道器設(shè)計(jì) .............47-53 
3.4.1 多相濾波器組設(shè)計(jì)........................ 48-50 
3.4.2 單位脈沖信號(hào)重建評(píng)估....................... 50-52 
3.4.3 寬帶 QPSK 信號(hào)重建評(píng)估 .........................52-53 
§3.5 本章小結(jié)......................... 53-55 
第四章 天線組陣技術(shù)中高性能相關(guān)算法的研究 .................55-77 
§4.1 引言 .....................55-56 
§4.2 經(jīng)典相關(guān)算法及其原理 .........................56-59 
4.2.1 SIMPLE 算法..................... 56-57 
4.2.2 SUMPLE 算法............................ 57-58 
4.2.3 Matrix-Free 算法............................... 58-59 
§4.3 經(jīng)典相關(guān)算法性能分析與比較 ........................59-65 
4.3.1 Matrix-Free 算法合成性能估計(jì) ......................59-62 
4.3.2 SUMPLE 算法與 Matrix-Free 算法收斂速度的研究................. 62-65 
§4.4 基于 Sigmoid 函數(shù)的高性能相關(guān)算法 ....................65-75 
4.4.1 Matrix-Free 算法與 SUMPLE 算法權(quán)值更新量方差分析............ 65-68 
4.4.2 Sigmoid 函數(shù)性質(zhì)分析......................... 68-71 
4.4.3 SVS-MF 算法 ..........................71-75 
§4.5 本章小結(jié)......................... 75-77 
第五章 參數(shù)可調(diào)的天線組陣仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)..................... 77-95 

第六章 可用于天線組陣原理樣機(jī)的微波器件設(shè)計(jì)

§6.1 引言
為了進(jìn)一步驗(yàn)證應(yīng)用于仿真系統(tǒng)中的技術(shù)的有效性，應(yīng)用于天線組陣技術(shù)演示驗(yàn)證系統(tǒng)的原理樣機(jī)的研制是十分有必要的。目前，由于存在許多已經(jīng)發(fā)射的深空航天器仍在工作，所以未來深空通信下行鏈路接收天線陣的發(fā)展趨勢(shì)是既要工作于高速率通信所需要的Ka頻帶，還要服務(wù)已經(jīng)存在的工作于X波段的探測(cè)器。因此，用于天線組陣技術(shù)演示驗(yàn)證系統(tǒng)的原理樣機(jī)應(yīng)具備雙頻段甚至多頻段的通信能力。而功率分配器和阻抗變換器作為微波通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，對(duì)其進(jìn)行深入研究具有重要意義。本章將主要針對(duì)雙頻雙路功率分配器設(shè)計(jì)和多頻段阻抗匹配技術(shù)進(jìn)行了深入研究，為后續(xù)原理樣機(jī)的開發(fā)進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備。
§6.2 基于漸變線的雙路雙頻帶功分器設(shè)計(jì)
漸變傳輸線定義為在兩個(gè)不同阻抗之間，傳輸線的特性阻抗連續(xù)的由一個(gè)阻抗值變?yōu)榱硪粋�(gè)阻抗值，并使反射系數(shù)控制在一定范圍內(nèi)[142]。而不均勻傳輸線是漸變傳輸線的一種，其參數(shù)隨長(zhǎng)度的變化而變化，所以其特性阻抗是隨傳播方向逐漸改變的。在多節(jié)四分之一波長(zhǎng)變阻器中，其阻抗的變化具有不連續(xù)性，對(duì)設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生不良影響。所以在無限多節(jié)的匹配變換器可以進(jìn)化為漸變傳輸線，而漸變傳輸線則可以避免階梯阻抗造成的不連續(xù)性，從而實(shí)現(xiàn)寬頻帶匹配。
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總結(jié)

本文在分析了將天線組陣應(yīng)用于高速率深空通信中的關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)后，圍繞得出的結(jié)論開展了一系列工作。首先，針對(duì)其通信頻帶內(nèi)的相位特性將多相濾波器組信道器應(yīng)用于子頻帶分割與重建中。并且，在進(jìn)一步完善了經(jīng)典相關(guān)算法理論體系后，提出了新的高性能自適應(yīng)相關(guān)算法。然后，設(shè)計(jì)出了適用于高速率深空通信的參數(shù)靈活可調(diào)的天線組陣仿真系統(tǒng)。同時(shí)，針對(duì)可用于天線組陣實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)原理樣機(jī)的功分器與阻抗變換器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了較為深入研究。主要工作概括如下：
1. 系統(tǒng)的分析了在高速率深空通信中實(shí)現(xiàn)天線組陣的技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)過分析、推導(dǎo)與論證，得出了本課題中所需要解決的關(guān)鍵問題與技術(shù)難點(diǎn)主要包括：在極低接收信噪比下快速、準(zhǔn)確的獲得頻帶內(nèi)的相位分布；解決通信頻帶內(nèi)相位分布的 2π 模糊現(xiàn)象引起的時(shí)延校正范圍限制問題；減弱頻帶內(nèi)相位滑動(dòng)現(xiàn)象引起的信號(hào)合成損失。
2. 可重建信道器在天線組陣技術(shù)中的應(yīng)用。針對(duì)天線組陣技術(shù)中寬帶信號(hào)合成面臨的 2π 模糊和相位滑動(dòng)現(xiàn)象，論述了子頻帶分割技術(shù)在天線組陣信號(hào)合成中應(yīng)用的原理，以及不同條件下滿足信號(hào)合成要求和時(shí)延差校正范圍所需的子頻帶數(shù)目。然后，將多相濾波器組信道器應(yīng)用于對(duì)接收信號(hào)的分割與重建中，通過選擇正確的參數(shù)，設(shè)計(jì)了可重建的 512 路信道器，實(shí)現(xiàn)了對(duì) QPSK 調(diào)制信號(hào)等連續(xù)頻譜信號(hào)進(jìn)行有效的頻帶分割與重建。
3. 進(jìn)一步完善了經(jīng)典相關(guān)算法的理論體系。首先，推導(dǎo)出了 Matrix-Free 算法的合成性能估算公式，在與文獻(xiàn)中 SUMPLE 算法的合成性能估算公式對(duì)比后，得出 Matrix-Free 算法在相同條件下的合成效率高于 SUMPLE 算法。然后，通過引入天線陣接收信號(hào)的協(xié)方差矩陣，推導(dǎo)出了 SUMPLE 算法收斂速率的依賴關(guān)系，并得出其在相同條件下?lián)碛斜?Matrix-Free 算法更快的收斂速度。
4. 提出了收斂速度快、合成效率高的 SVS-MF 相關(guān)算法。首先，通過分析Matrix-Free 算法和 SUMPLE 算法的權(quán)值更新量方差隨迭代計(jì)算過程運(yùn)行的變化趨勢(shì)，給出了兩種算法的權(quán)值更新量方差的估計(jì)方法。然后，通過引入 Sigmoid 函數(shù)，以權(quán)值更新量方差作為引導(dǎo)參數(shù)，提出了一種高性能的自適應(yīng)相關(guān)算法。在不增加運(yùn)算空間復(fù)雜度的情況下，SVS-MF 算法具有與 Matrix-Free 算法接近的合成效率以及與 SUMPLE 算法接近的收斂速度，從而具有最優(yōu)的綜合性能。
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參考文獻(xiàn)（略）