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共形阵列天线矢量波束赋形：新方法探索与性能优化

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代通信与雷达等领域，随着对高性能天线系统需求的持续增长，共形阵列天线凭借其独特优势成为研究热点。共形阵列天线能够贴合载体表面，如飞机、导弹、卫星等，与载体外形保持一致或近似一致。这种独特的设计方式，不仅有效降低了载体的气动阻力，还减少了雷达散射截面，提升了载体的隐身性能，在军事与民用领域都具有不可替代的重要应用价值。

波束赋形作为共形阵列天线的核心技术之一，其本质是通过精确控制阵列中每个天线单元的幅度和相位，实现对波束形状和方向的灵活调控。在通信领域，共形阵列天线矢量波束赋形技术具有极为关键的作用。以卫星通信为例，卫星所处的空间环境复杂，通信链路面临着较大的损耗和干扰。通过运用矢量波束赋形技术，能够在卫星表面形成高增益的波束，精准地对准地面接收站，极大地提高通信质量和可靠性，确保信号在长距离传输过程中的稳定性，满足全球通信、高清视频传输等业务对信号质量的严苛要求。在5G乃至未来的6G通信中，面对海量的数据传输需求和复杂的城市环境，共形阵列天线可以安装在建筑物表面、移动基站等，通过矢量波束赋形技术将信号聚焦于用户设备，有效提高网络覆盖范围和数据传输速率，为用户提供更优质的通信体验，支持如自动驾驶、虚拟现实等对实时性和带宽要求极高的应用场景。

在雷达领域，矢量波束赋形技术同样发挥着不可或缺的作用。传统雷达在探测目标时，存在波束扫描范围有限、探测精度不足等问题。共形阵列天线安装在飞行器、舰艇等平台上，借助矢量波束赋形技术，可以实现波束的定向扫描和跟踪。在复杂的战场环境中，能够快速、准确地探测到多个目标，极大地提高雷达的探测能力和精度，为军事防御、空中交通管制等提供可靠的目标监测与预警信息。在地形测绘雷达中，通过矢量波束赋形可以实现对地形的高精度扫描，获取详细的地形数据，为地质勘探、城市规划等提供有力的数据支持。

然而，当前共形阵列天线矢量波束赋形技术仍面临诸多挑战。共形阵列天线的结构复杂性，导致阵元间的互耦效应增强，这使得精确控制波束形状和方向变得更加困难。传统的波束赋形算法在计算复杂度、实时性和精度等方面存在一定的局限性，难以满足日益增长的实际应用需求。例如，在需要快速跟踪多个目标的场景下，传统算法可能无法及时调整波束指向，导致目标丢失；在对波束精度要求极高的通信场景中，传统算法可能无法实现所需的低旁瓣、高增益等性能指标。因此，开展共形阵列天线矢量波束赋形新方法的研究具有迫切的现实需求和重要的理论意义。

新方法的研究对于提升共形阵列天线的性能具有多方面的重要意义。在性能提升方面，新方法有望更有效地抑制阵元互耦效应，实现更精确的波束控制，从而提高天线的增益、降低旁瓣电平，增强信号的抗干扰能力。在卫星通信中，更低的旁瓣电平可以减少信号干扰，提高通信的稳定性；在雷达探测中，更高的增益和更精确的波束指向能够提高目标探测的距离和精度。在拓展应用领域方面，性能的提升将使得共形阵列天线能够应用于更多对天线性能要求苛刻的场景，如深空探测、高速移动平台通信等。在深空探测中，需要天线具备高增益、远距离通信的能力，新方法有望满足这一需求，实现地球与探测器之间的可靠通信。在推动技术发展方面，新方法的研究将促进相关理论和技术的创新，如电磁理论、信号处理算法等，为整个天线领域的发展提供新的思路和方法，带动相关产业的技术升级和发展。

1.2国内外研究现状

共形阵列天线矢量波束赋形技术的研究在国内外都取得了一定的进展。在国外，美国、欧洲等国家和地区在该领域的研究起步较早，积累了丰富的研究成果。美国在军事领域对共形阵列天线的研究投入巨大，如在先进战机和导弹系统中，共形阵列天线的应用不断拓展。美国海军研究实验室在共形相控阵天线研究方面取得了重要成果，通过优化设计实现了在复杂载体表面的高效波束赋形，提升了雷达系统的探测性能。欧洲的一些研究机构和高校也在积极开展相关研究，如英国的伦敦大学学院等在共形阵列天线的电磁特性分析、波束赋形算法优化等方面进行了深入探索，提出了一些新的理论和方法。

国内对共形阵列天线矢量波束赋形技术的研究近年来发展迅速。众多高校和科研机构，如西安电子科技大学、北京航空航天大学、中国电子科技集团公司等，在该领域展开了广泛而深入的研究。西安电子科技大学在共形阵列天线的方向图综合算法研究方面取得了显著成果，提出了基于优化算法的波束赋形方法，有效提高了波束赋形的精度和效率。北京航空航天大学针对飞行器共形阵列天线，开展了大量的理论研究和实验验证，在解决阵元互耦、提高天线与载体兼容性等方面取得了重要突破。

传统的共形阵列天线矢量波束赋形方法存在一些不足之处。在早期，傅里叶变换法、泰勒综合法、切比雪夫综合法等传统方法在阵列天线波束赋形中应用较为广泛。但对于共形