基于多波束和时间调制平均的相位量化栅瓣抑制方法及其性能极限

概要

为了抑制相位量化所导致的量化栅瓣，在波束合成中引入随机虚拟相移（RVPS，Random Virtual Phase Shift），采用多波束平均（MBS，Multi-beam Average）或时间调制平均（TMA，Time-Modulated Average）方法实现了对量化栅瓣的抑制，仿真验证了方法的有效性及限制，并进一步引入统计模型分析了所采用抑制方法的对合成方向图增益、副瓣抑制性能的理论极限。

前言

随着无线通信以及雷达商用系统需求的发展，低成本的相控阵技术被越来越广泛的应用于需要空间波束扫描的场景。为了降低阵列实现的复杂度，类似RRA以及RIS等相控阵系统均采用了低比特位的量化移相电路。相位量化会导致方向图栅瓣抑制恶化等问题，从而降低空域滤波的抗干扰能力。

针对量化效应的研究文献，讨论了各种应用于传统相控阵的量化栅瓣抑制方法，而对于RRA而言其空间馈电引入的随机化初始相位路径差以及人为设计加入的随机时延实现了量化栅瓣的抑制效果。但这些方法需要较多单元才能充分打破相位误差的相关性，因此对于单元数量较少的情况栅瓣抑制效果有限。

本文首次提出了一种基于多波束/时间调制平均的方法，该方法通过引入虚拟附加相移，并通过增加波束或时间调制状态数量来增加相位的随机性以充分破坏系统相关相位误差，达到降低量化栅瓣的目的。进一步基于理想均匀随机分布的相位误差，建立了所提出的MBA/TMA方法的性能极限。所提出的方法能够适用于传统以及新型低成本相控阵系统应用。

方法

一个由N个单元构成的ULA阵列的阵因子方向图可以由下式表述，参数分别为扫描角，波束指向，初始的通道间相位差，c为光速，d为阵元间距，wn幅度加权向量，w为阵列工作角频率。