CN101706839B - 一种基于时间反演的共形阵列天线激励相位确定方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时间反演的共形阵列天线激励相位确定方法，属于电子技术领域，涉及共形阵列天线的设计方法。本发明根据设定的共形阵列天线的波束指向，采用时间反演技术，首先在设定波束指向的远场区向共形阵列天线辐射一个源激励信号x(t)；然后记录每个阵列单元天线所接收到的信号序列；再将记录的每个阵列单元天线所接收到的信号序列进行时间反转处理；最后对每个阵列单元天线的时间反转序列作离散傅里叶变换，计算发射信号时的激励相位。本发明提供的共形阵列天线激励相位的确定方法，具有简单、高效、适应性广、适用于宽频带设计、易于工程实现等优势。本发明不仅可应用于共形阵列天线的设计，还可以应用于人工控制阵列天线进行区域扫描。

Description

一种基于时间反演的共形阵列天线激励相位确定方法

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及电磁学技术，特别涉及共形阵列天线的设计方法。

背景技术

随着科技的不断发展，各种先进的飞行器和交通工具所携带的天线除了要求具有优异的性能之外，为了不破换其空气动力学参数，还要求天线要和载体良好的共形。在地面装备中，微波通信设备要抵抗恶劣的气候条件和机械震动，同时为了更好的伪装自己，共形天线同样具有重大的研究价值。不仅传统的军事工业对高性能的共形天线有着强烈的需求，而且随着移动通信的飞速发展，共形天线作为基站天线或便携式天线，都有着良好的应用前景。因此，分析研究共形天线的特性及设计方法具有极其重要的国防意义和工程价值。共形天线的研究是一个非常活跃的研究领域。

然而，共形阵列天线应用在不同的地方，所依托的载体形状必然各不相同。良好的共形在带来很多优势的同时也无疑加大了设计的难度。对于各式各样的共形天线而言，很难依靠一套规范化的理论公式进行综合设计。但如果没一套较为通用的设计方法，各自进行设计又必然会耗费较多的时间，使设计成本增高，效率降低，影响共形天线的推广和应用。因此，一种具有较广适用范围的共形天线的设计方法，必将会节省共形天线设计的成本和周期，促进共形天线领域的发展和进步。

文献“A Projection Method Providing Low Side lobe Pattern in Conformal ArrayAntennas”(IEEE AP-S International Symposium Digest，PP.130-133).通过实验论证了一种通过利用平面阵列向共形阵列投影进行共形阵列设计的方法的可行性。该方法首先设计一个能满足设计要求的且能被共形阵列所在表面完全包围的平面阵列，然后计算该平面阵列工作时在共形阵列表面上的等效电流，并进一步计算出共形阵列辐射单元的分布及各辐射单元所需的激励相位。该方法在对辐射方向图要求不太严格的情况下被证明是成功的。但是在具体实现过程中，由于共形阵列范围限制、辐射单元的特性及交叉极化等的影响，实现所需要的等效表面电流非常困难。很多时候，该方法只能为其他优化方法提供一个比较理想的起始优化模型。

文献Conformal Antenna Theory Andsign Feb 2006给出了一种环形阵列的傅里叶综合设计方法。该方法通过对想要得到的理想辐射方向图做傅里叶变换，结合模式相位理论，计算所需用到的各相位模式的系数，给出了一种满足最小二乘法拟合的设计方法。但是这种方法，在辐射方向图有较快的起伏变化或者有不连续性存在的情况下，并不能得到理想的结果。并且在利用该方法进行设计的过程中，可能会出现所需要用到的相位模式在实际情况中并不存在的情况，从而使该设计方法具有很大的局限性。该方法所用到的计算公式和阵列的具体排列方式有关，对于更加复杂的共形天线，并不具有普遍适用性。

文献“Generalized Array Pattern Synthesis by the Method of Alternating OrthogonalProjections，”(IEEE Transactions on Antennas and Propagation，Vol.AP-28，No.3，pp.328-332.)和“Intersection Approach to Array Pattern Synthesis，”(IEE Proceedings，Part H，Vol.137，pp.349-357.)介绍了一种利用交替投影法进行共形阵列天线设计的方法。其步骤为以一个已知可以实现的模式为起点，与目标模式比较，将不能达到要求的角区域用目标模式的参数替换，得到一个可以满足要求的模式，若这个模式不是现实可实现的，则在可以实现的模式集合中选择一个激励参数与需要的激励参数满足最小二乘意义的模式，然后不断重复比较，直到得到一个既满足条件又可以现实实现的模式为止。该方法具有一定的冒险性，起点的选择将会很大程度上影响设计的效率。如果起点选择不当，甚至会造成设计进入死循环，不能得到符合要求的结果。

文献“Adaptive Arrays，”(IEEE Transactions on Antennas and Propagation，Vol.AP-24，No.5，pp.584-598.)和“Adaptive Processing Array Systems，”(Proceedings of IEEE，Vol.80，No.1，pp.152-162.)提出了一种借鉴了数字接收信号的数字处理技巧的自适应设计方法来进行共形阵列天线的设计。其基本原理是利用在除主波束方向外的其他方向设置噪声源来抵消天线的辐射，从而得到所需的波束指向。该方法同时适用于平面阵列天线和共形阵列天线的设计。但是，对于大型阵列天线而言，其设计过程中所需要用到的共基矩阵的计算将会是一个相当耗费时间的工作，并且当波束指向发生变化时，该矩阵也要有相应变化。所以，这种设计方法计算量大，且不适应于具有扫描功能的阵列天线的设计。

Time Reversal曾经被赋予了“时光倒流”的名字而让人类充满了无穷的幻想，梦寐有朝一日能够将“时光隧道”变为现实，从而让人类能够畅游远古时代、追根溯源。经过科学家的不断努力，时间反演已经逐渐从神秘走向科学，从遥不可及走到近在咫尺。

时间反演技术作为一种近代先进的科研技术手段，已在光学和声学研究领域体现了巨大的应用价值。2007年《Science》一篇文献指出，“时间反演场”在一定的物理条件下，具有超越衍射极限的远场超分辨力功能，分辨力可达到工作波长的1/30，甚至有可能更高。该项研究不仅让时间反演再一次演绎传奇，而且也将时间反演推向了研究高潮。在电磁学领域，反演技术的应用尚未形成完整的理论体系，但在某些研究方向上也已经取得了一定的成果并在工程上初步展现了无可估量的应用前景，例如超分辨率定位与成像、无线通信系统的电磁共存、时-空功率合成、自适应超高速信息传输等等。将反演技术与电磁理论的结合，将为解决一些利用传统方法不易解决的问题提供新的思路，促进电磁学的发展和应用。在共形天线设计领域，时间反演技术的引入和应用，也将为我们提供一种新的解决实际问题的思路，为发现新的优良的设计方法提供理论支持。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于时间反演的共形阵列天线激励相位确定方法，主要应用于共形阵列天线的设计过程中。利用本发明可简单、方便地确定共形阵列天线各阵列单元的激励相位，从而降低共形阵列天线的设计难度，提高共形阵列天线的设计效率。

本发明的技术方案是：

一种基于时间反演的共形阵列天线激励相位确定方法，如图1所示，在设定共形阵列天线的形状、阵列单元天线的类型和数量、共形阵列天线的波束指向以及共形阵列天线工作带宽和中心频点f₀的基础上，包括以下步骤：

步骤1：在设定共形阵列天线波束指向的远场区设置一个辐射信号源，利用该辐射信号源向共形阵列天线辐射一个源激励信号x(t)。

步骤2：在共形阵列天线各个阵列单元天线的馈电端口处，以符合奈奎斯特采样定律的采样频率记录每个阵列单元天线所接收到的信号序列{y₁，y₂，y₃，…，y_N-1，y_N}，其中N为采样点个数。

步骤3：将步骤2记录的每个阵列单元天线所接收到的信号序列{y₁，y₂，y₃，…，y_N-1，y_N}进行时间反转处理，得到每个阵列单元天线的时间反转序列{y_N，y_N-1，…，y₃，y₂，y₁}。

步骤4：对每个阵列单元天线的时间反转序列{y_N，y_N-1，…，y₃，y₂，y₁}作离散傅里叶变换处理，计算每个阵列单元天线的时间反转序列{y_N，y_N-1，…，y₃，y₂，y₁}在工作频率f₀处的相位，并以该相位作为对应阵列单元天线发射信号时的激励相位。

经过步骤1至步骤4，计算出所有阵列单元天线发射信号时的激励相位后，即可确定共形阵列天线发射信号时的激励相位分布。

本发明的理论基础是时间反演技术的时空聚焦性。理论研究表明，时间反演信号不仅携带有丰富的历史信息，而且还蕴含了极为丰富的空间信息。对信号进行时间反演处理，在一定条件下将可以实现信号传播的逆行再现。将上述理论与电磁辐射理论相结合可以推导，以本发明所述方法所得激励相位分布对共形阵列天线进行激励时，共形阵列天线将会沿自身指向辐射信号源的方向进行辐射聚焦(即由本发明所得的共形阵列天线激励相位分布所确定的共形阵列天线的波束指向与事先设定的共形阵列天线的波束指向一致)，而在其他方向并不存在这种聚焦现象。从辐射方向图的角度来看，即在共形阵列天线沿自身指向辐射信号源的方向形成主瓣波束，而在其他方向不存在大的波瓣，从而能够得到指向性良好的远场方向图。

实践证明，以本发明所提供的方法所确定的共形阵列天线的激励相位分布，能够实现事先设定的共形阵列天线的波束指向，即由本发明所得的共形阵列天线激励相位分布所确定的共形阵列天线的波束指向与事先设定的共形阵列天线的波束指向一致。

值得指出的是，由于在使用本发明所述方法进行共形阵列天线激励相位分布的确定过程中，在共形阵列天线各个阵列单元天线的馈电端口处记录的是各单元天线接收的时域波形，而通过傅里叶变换则可以提取所有频点的相位。因此，本发明可以通过一次测试和计算，得到共形阵列天线在整个工作频带内所有频点处的激励相位分布。

本发明的实质是根据共形阵列天线需要实现的波束指向，利用时间反演技术确定共形阵列天线的激励相位分布。实际上，如果共形阵列天线需要实现的波束指向在一定角度范围内随时间变化而变化，利用本发明仍然可以相应确定共形阵列天线随波束指向变化而变化的激励相位分布，从而很容易的采用控制激励相位分布的方法来实现人工控制阵列天线进行区域扫描。这使得本发明不仅可应用于共形阵列天线的设计，还可以应用于人工控制阵列天线进行区域扫描。

本发明提供的共形阵列天线激励相位的确定方法，具有简单、高效、适应性广、适用于宽频带设计、易于工程实现等优势。具体表现为：

1、本发明不需要进行复杂繁复的计算，避免了带有冒险性质的重复尝试和修改，提高了共形阵列天线的设计效率。

2、本发明不需要将激励分为多种相位模式进行综合，避免了出现理论设计不能具体实现的问题。

3、本发明对共形阵列的单元分布没有明确的要求，从理论原理上看，可以适用于各类共形天线的设计综合，具有更为广泛的适用性。

4、本发明能够通过一次测试得到在一个较宽频带内所有频点处的相位分布，大大提高了宽频带共形天线的设计效率。

5、本发明所涉及原理简单易懂，设计方案便于形成完整的设计理论和建立相应的设计系统，易于工程实现。

6、本发明是以实际测量为基础，能够直接验证设计要求的可行性，避免不必要的尝试和资源浪费。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，偶极子共形阵列天线CST仿真模型立体示意图。

图3是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，偶极子共形阵列天线CST仿真模型俯视图。

图4是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，偶极子共形阵列天线CST仿真模型中各阵列单元及相应馈电端口的编号。

图5是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，辐射信号源照射偶极子共形阵列天线的源激励信号x(t)波形。

图6是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，在辐射信号源照射下圆柱型偶极子阵列各馈电端口所接收到的波形。

图7是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，对所接收波形进行时间反演和傅里叶变换后，各端口在频率为3.25GHz时的相位分布曲线。

图8是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，使用本发明所述方法确定的激励相位分布进行信号发射时，仿真得到的偶极子共形阵列天线在3.25GHz时的3D远场辐射方向图。

图9是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，使用本发明所述方法确定的相位分布进行信号发射时，仿真得到的3.25GHz时偶极子共形阵列天线在2D极坐标下水平面的远场辐射方向图。

图10是为了验证本发明所述方法正确性所进行的实施例中，使用本发明所述方法确定的相位分布进行信号发射时，仿真得到的偶极子共形阵列天线在4.0GHz时的3D远场辐射方向图。

具体实施方式

如图2、3及图4所示，为了验证本发明所述方法正确性，我们采用了圆柱型偶极子共形阵列天线模型。该模型中共包含有10个偶极子阵列单元，各偶极子阵列单元等间距的围绕在半径R_c＝18mm、高度H_c＝120mm的圆形金属柱周围，阵列半径R＝20mm。阵列中心平面与金属柱中心平面重合，整个模型上下对称。模型中所用偶极子阵列单元半径R_o＝1mm，由上下两段长为d_o＝20mm的金属圆柱构成，上下圆柱间隔1mm，其间隔部分为馈电端口。单元馈电端口采用离散端口，方向由下指向上。模型中各偶极子阵列单元和中间的圆形金属柱均以理想导电体作为材料。

在距离阵列模型D＝1500mm远且与x轴方向逆时针偏转角度为30deg处，采用一个与阵列单元完全相同的偶极子天线作为辐射信号源对该阵列模型进行照射。照射源的激励端口也采用离散端口，激励波形采用2.5～4GHz的调制高斯波形，附图5给出了所采用激励波形的具体形式。

按照上述要求在仿真软件中完成建模和仿真环境的设定。将辐射信号源端口作为激励端口，向共形阵列辐射源激励信号x(t)；共形阵列中的各端口不添加任何激励，仅用作接收端口。运行仿真软件进行仿真模拟后，利用软件自带功能，记录下共形阵列各端口处的接收波形。设施例中各端口接收到的具体波形在附图6中给出。

按照技术方案中所介绍的设计方法对接收波形进行时间反演技术处理，并通过傅里叶变换计算出在工作频率f₀处的频域相位。实施例中以t_s＝1.86ps为采样时间间隔，N取5579，选择工作频率为f₀＝3.25GHz。通过计算软件编程计算，得到在工作频率处各激励端口的相位分布如表1所示，附图7给出了该相位分布情况的折线图表示。

表1

端口编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											相位(deg)	335.06	347.16	347.13	40.12	150.36	167.60	199.76	128.12	72.37	39.12

需要指出的是，上表中所用到的端口编号，是通过将位于x轴正方向上的偶极子阵列单元的激励端口记为端口1，并按逆时针方向依次为其他激励端口编号所得。各馈电端口的编号的具体形式可通过图4查看。

为验证使用该方法所得到结果的正确性，采用上表所示的相位分布，利用仿真软件对该偶极子阵列的辐射特性进行仿真。将上面用到的仿真模型中的照射源去掉，并对共形阵列各激励端口按照所得到的相位分布添加激励信号。运行仿真软件进行仿真后，得到该阵列天线在频率为f₀＝3.25GHz时的3D远场方向图如图8所示。图9为在2D极坐标下天线阵列在水平面的远场方向图。图10给出了频率为4GHz时的3D远场方向图。仿真所得该阵列天线的辐射方向图中，主波束指向x轴正方向逆时针偏转约30deg的方向，与理论预期辐射方向相一致，方向图中并没有较大的旁瓣出现，辐射方向图指向性良好。

在本实施例所述基本实施方法基础上，可以完成进一步的实验来论证该方法的正确性。利用相同的辐射信号源从其他方向的远场区对该阵列天线模型进行照射并完成上述实验过程的全部操作，结果均能得到指向相应方向的主波束且没有较大的旁瓣出现，与理论预期结果相一致。表2给出了在工作频率为3.25GHz时，用本发明所述方法计算天线辐射方向分别指向12个不同方向时的阵列相位分布。表2中第一行数字表示辐射方向为x正方向沿逆时针方向转过的角度，第一列数字表示激励端口的编号。表中相位分布的数值单位为deg。

表2

利用上表所示的相位分布，采用CST仿真软件进行仿真，得到阵列天线的辐射方向图均指向要求的方向，且其方向性系数在表3中给出。

表3

方向	0	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330
													Dir.(dBi)	9.70	9.27	9.20	9.58	9.20	9.27	9.70	9.27	9.20	9.58	9.20	9.27

利用HFSS软件进行仿真，得到的结果与CST软件的仿真结果基本一致。该实施例所得的结果，和预期理论结果相一致，为本发明所述方法的正确性提供了事实依据。证实了利用本发明所述方法进行共形阵列天线相位分布设计，能够得到较为理想的结果。

改用同轴探针馈电的圆柱形共形微带贴片阵列进行类似的实验，也能够得到符合理论预期的相应结果。

Claims (1)

1.一种基于时间反演的共形阵列天线激励相位确定方法，在设定共形阵列天线的形状、阵列单元天线的类型和数量、共形阵列天线的波束指向以及共性阵列天线工作带宽和中心频点f₀的基础上，包括以下步骤：

步骤1：在设定共形阵列天线波束指向的远场区设置一个辐射信号源，利用该辐射信号源向共形阵列天线辐射一个源激励信号x(t)；

步骤2：在共形阵列天线各个阵列单元天线的馈电端口处，以符合奈奎斯特采样定律的采样频率记录每个阵列单元天线所接收到的信号序列{y₁，y₂，y₃，…，y_N-1，y_N}，其中N为采样点个数；

步骤3：将步骤2记录的每个阵列单元天线所接收到的信号序列{y₁，y₂，y₃，…，y_N-1，y_N}进行时间反转处理，得到每个阵列单元天线的时间反转序列{y_N，y_N-1，…，y₃，y₂，y₁}；

步骤4：对每个阵列单元天线的时间反转序列{y_N，y_N-1，…，y₃，y₂，y₁}作离散傅里叶变换处理，计算每个阵列单元天线的时间反转序列{y_N，y_N-1，…，y₃，y₂，y₁}在中心频点f₀处的相位，并以该相位作为对应阵列单元天线发射信号时的激励相位；

经过步骤1至步骤4，计算出所有阵列单元天线发射信号时的激励相位后，即可确定共形阵列天线发射信号时的激励相位分布。

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