CN102280714A - 由多元子阵构成的稀疏相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由多元子阵作为单元构成的稀疏相控阵天线，多元子阵自上而下由四个偶极子、功分网络和反射板组成。稀疏阵扫描能力约为-30°~+30°，面阵稀布率低于0.5且增益与满阵大致相当。该技术可用于相控阵雷达系统并极大地降低系统成本。其主要创新点在于采用单元方向图（窗型/扇形单元方向图）对阵因子进行调制来抑制栅瓣，从而允许栅瓣进入实空间（-90°~+90°），以达到增加单元间距，即稀疏的目的。

Description

由多元子阵构成的稀疏相控阵天线

技术领域

    本发明涉及一种有限扫描能力的高增益稀疏天线阵，特别是一种由多元子阵构成的稀疏相控阵天线。该技术可应用于相控阵雷达系统而使阵元数大为减少，从而大大降低系统成本。

背景技术

相控阵系统以其快捷的波束扫描模式、灵活的波形综合以及更高的发射功率等特点，已广泛应用于雷达、遥感和通信等领域。而相控阵天线是决定整个相控阵系统性能的关键子系统，其好坏直接影响着全系统的分辨率、作用距离、体积和成本等指标。

但是，按照传统天线阵的综合理论，阵元间距需小于一个波长以避免形成栅瓣而降低主瓣增益；而当要求工作于相扫描模式时，阵元间距限制更严格，通常取为0.5波长。这意味着更多的天线单元数量和T/R组件，使得相控阵系统造价变得相当昂贵。稀疏天线阵可以在满足性能的前提下减少阵元数量以实现低成本，因此得到了广泛的研究。

国内外稀布阵的研究主要可以分为两种：1）硬实现方式，通过对周期性的满阵按某些规律抽去一些阵元以实现稀布；2）软实现方式，这种方式多用于合成孔径辐射计（SIAR）或一些浮空平台对地观测，通过对稀疏阵在不同位置进行频率采样，用信号处理的方式还原到类似满阵的性能。前者能够用较少的单元实现较窄的波束和较低的旁瓣电平，但是其增益比满阵有较明显的下降，其下降幅度同稀布率等因素有关。这类稀布阵的研究多采用优化算法或用穷举法对旁瓣进行自适应优化，缺乏直观的解析理论且计算量较大，尤其是近来这类稀布阵往往采用微扰或非线性布阵（上限下限法/下限及指定口径面）进行非均匀布阵以进一步克服栅瓣，更增加了计算的复杂性（王玉峰、张建强等，“矩形平面稀疏阵的免疫算法优化”，通信对抗，N0.99，2007，pp：29-32； KUMAR B P and BRANNER G R. Generalized analytical technique for the synthesis of unequally spaced arrays with linear ,planar ,cylindrical or spherical geometry，IEEE Trans. Antennas Propagation , 2005 , 53(2) : 621-634； 陈客松、何子述，平面稀布天线阵列的优化算法，电波科学学报，24(2),2009:193-198）；后者的稀布方式主要是利用了信号的后处理和校正,通过压缩空间频率的冗余度实现稀布,缺点是需要可观的计算量且应用范围比较有限(保铮,张庆文. 一种新型的米波雷达2综合脉冲与孔径雷达,现代雷达,1995,2:1-13; 陆鹏程,徐海洲,徐晋,付启众,胡坤娇, 稀布阵综合脉冲孔径雷达阵列优化设计,雷达科学与技术,6(4),2008:243-246;董健,李青侠等，综合孔径辐射计二维稀疏天线阵列排列方法，微波学报，25(2),2009:83-86, Li Zhenfang ,Bao Zheng ,Wang Hongyang ,Liao Guisheng. Performance improvement for constellation SAR using signal processing techniques. IEEE Trans, 2006, AES-42(2):436-452.)。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种由多元子阵作为阵元构成的稀疏相控阵天线,它引入多元子阵来提供一种有限扫描能力（-30°~ +30°）并且高增益（与满阵相近）的等距分布稀疏阵，其阵元间距取为1~ 1.6个波长，其方向图可由经典的阵因子理论综合得到。具有设计简单可靠，无需信号后处理等优点

为达到上述目的，本发明的构思是：

传统的天线阵（满阵）的指导思想是通过减小阵元之间的间距，使栅瓣的位置出现在实空间（-90°~ +90°）之外，以避免栅瓣引入所带来的方向性下降，其代价是阵元多。

根据方向图乘积原理，天线阵的方向图由单元方向图和阵因子两部分构成。因此，本发明通过合理设计单元的方向图，使单元直角坐标方向图成为矩形窗型，以此方向图“调制”天线阵总方向图。这样，即使阵元间距大，以致阵因子的栅瓣出现在实空间（-90°~ +90°），只要栅瓣位于单元方向图的“矩形窗”之外，最后天线阵总方向图会由于单元方向图的调制作用而降低此栅瓣至足够低（参见图2）。

实现以上方案关键点在于实现矩形的单元方向图。对方向图的指标主要是矩形宽度、突降系数以及主瓣内和主瓣外的电平比。由图2可以发现，矩形宽度主要决定天线阵的扫描能力。突降性能越好（越接近矩形），则扫描时栅瓣和矩形边沿的保护带可以越窄，阵的稀疏率就越好。而单元主瓣窗内外的电平比决定了阵列最后的主瓣栅瓣电平比。

按照上述发明思路，本发明采用的稀疏阵技术方案有如下特点：

1．现有的单元天线中，很难找到有同时符合上述三条要求的，尤其是陡峭的突降很难实现。为此，采用Z向（高度向）用对称振子排一个子阵，利用矩形直角坐标方向图（即扇形极坐标方向图）综合来实现。采用特定馈电网络连接并将该多元子阵作为一个“单元”来使用，参见图1中虚线框（1）所包围的一个单元（为叙述清晰起见，以下简称（1）为子阵）；

2．子阵的矩形方向图综合可以通过线源的伍德抽样得到，也可以采用优化算法计算出来。考虑到加工和设计的便利性，设计中固定了单元的激励幅度和相位，只采用密度加权的方式实现（参见图3a,图4a）；

3．采用大反射板以实现良好的前后比特性，由于镜像的作用，此反射板等效于将子阵的长度加大了一倍（参见图3b）；

4．由于矩形方向图是由Z向排小阵实现的, 为求阵元配相和幅度的稳定性，对子阵采用并联馈电，以使其方向图带宽宽些(图6a)；

5．总方向图的主瓣栅瓣电平比靠子阵方向图的“矩形窗”内外电平差控制,而主瓣副瓣的电平比则可由Y向阵列的幅度加权获得;

6．在相控阵系统中,往往收发共用同一幅天线,因此可采用自适应阵列的原理,将接收方向图的” 栅瓣”与发射方向图的”栅瓣”错开, 以进一步抑制从栅瓣处进入接收机的噪声。

根据上述发明构思和技术方案特点,本发明采用下述技术方案:

1.    一种由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，自上而下分别由作为“单元”的四元子阵、功分网络和反射板组成;

2.    天线阵扫描能力±15°-±35°，阵元（单元小阵）间距1-1.6个波长依扫描能力有所不同。较常规天线阵理论的排布方式，稀疏率约为0.25-0.6；

3.    所述四元子阵的天线（偶极子，双臂分别位于介质板的不同侧）与馈网（平行双线，两根线位于介质板的不同侧）分别印刷在介质板的正反两面，并垂直于反射板安装；

4.    单元小阵采用Z向密度加权综合法实现扇形方向图，偶极子的间距D1约为0.2-0.6个波长，间距D2与D1相同，间距D3为0.3-0.8个波长，偶极子与反射板之间间距D4约为0.5-1.5个波长；

5.    所述的四个偶极子逐个反相，设计中通过将临近的偶极子反接实现倒相；

6.    所述介质基板的相对介电常数（                                                

）为2~5，其介质损耗角正切（

）小于或等于0.002，厚度0.5-2mm。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的实质性优点：

本发明以多元子阵为阵元来构成稀疏天线阵。由于多元子阵能形成矩形窗型直角坐标方向图，大大抑制了位于“矩形窗”之外的栅瓣电平，阵元间距可取为1~ 1.6个波长，从而使相控阵具有限扫描能力而阵元数大为减少，大大降低了系统成本。同时，由对比可以发现（参见图8、图11、图12），采用相同单元的满阵与稀疏阵相较，区别仅在于远离主瓣区的旁瓣电平，由于增益（方向性）仅与辐射能量分布有关，这一部分旁瓣电平很低，对方向图积分贡献很小，因此天线阵增益也大致相同（图12中仿真满阵与稀疏阵增益相差小于0.5dB）。并且阵元等间距，简化了设计与馈电结构。本发明设计简单可靠，又具有无需信号后处理等优点。

附图说明

图1  本天线阵的结构示意图。

图2  本天线阵的原理示意图。

图3  子阵的示意图。

图4  计算的稀疏阵非扫描边射方向图。

图5  计算的稀疏阵扫描角25度时的方向图。

图6  并联馈电的子阵结构图及其仿真的方向图-频率特性。

图7  级联馈电的子阵结构图及其仿真的方向图-频率特性。

图8  阵元间距为1个波长的8元阵结构图。

 图9  仿真的图8天线阵非扫描方向图。

图10 仿真的图8天线阵扫描角25度时的方向图。

图11 按经典阵因子理论得出的12元满阵结构图。

图12 满阵与本文提出稀疏阵的方向图对比。

具体实施方式

    本发明的两个优选实施例结合附图说明如下：

实施例一：

参看图1、图6和图8, 由多元子阵构成的稀疏相控阵天线具体结构如下：

a)    用8个四元子阵（1）构成直线阵，阵元间距为一个波长。四元子阵（1）由4个贴片振子（3）构成，印刷振子（3）的双臂分别位于介质板（10）的正反两面；馈线网络（4）为平行双线，两根线也分别位于介质板（10）的不同侧，并垂直于反射板（7）安装。天线阵工作于5GHz，选择该频率主要是出于成本与设计的简便性考虑：更高的频率会对板材、加工精度提出更高的要求，而更低的频率时阵面尺寸大，也同样会提高成本；

b)    四元子阵（1）的4个贴片振子（3）沿Z向（垂直于反射板）排阵，利用并联馈电网络（4）连接各印刷振子（3）。为简便起见，各印刷振子（3）等幅馈电、逐个反相，而通过密度加权实现矩形方向图（矩形宽度±25度，方向图参见图4a），并采用密度阶梯量化的方式,以实现较宽的单元方向图带宽；

c)    用3dB威尔金森功分器组成一并联馈电网络（6）来连接各四元子阵（1）, 天线输入端的SMA连接器（8）穿过反射板（7）与馈电网络（6）相接(参见图6)；

d)    利用反射板（7）来改善天线阵的前后比，并等效于有效地加大子阵的长度；

e)    样阵仅用于验证这种稀疏排布的思路，出于成本与设计的简便性考虑，其扫描状态利用对各阵元不同的适当长度传输线代替图1中的移相器（5）来实现，以降低成本和实施难度。 

实施例二：

    本实施例与实施例一基本相同，不同之处仅在于对四元子阵（1）采用了级联馈电的方式，而通过折叠馈线来实现其配相要求，使Z向为最大方向（图8a）。仍利用密度加权来实现矩形方向图。 

该方案优点是布线更紧凑，馈线损耗较低。缺点是各振子的馈电幅度和相位都因馈线效应而随频率而变，导致鲁棒性不好。图7b和图8b是实施例一和实施例二两种不同的激励方式的方向图带宽比较。可见，并联馈电的方向图在4%的带宽内方向图的一致性要远好于级联馈电的方式。

该稀疏样阵参数如下：

1．天线阵扫描能力±15°~±35°，阵元即四元子阵间距1~1.6个波长，依扫描能力有所不同。较常规天线阵理论的排布方式，面阵稀疏率约为0.25~0.6；

2．四元子阵（1）中各振子（3）沿Z向间距由密度加权实现矩形方向图的综合法得出，振子（13）(图3,下同)和振子（14）的间距d1约为0.2~0.6个波长，振子（11）与振子（12）间距d2与d1相同。振子（14）与振子（11）的间距为0.3~0.8个波长。振子（12）与反射板（7）间的间距d4约为0.5~1.5个波长；

3．振子（13、14、11和12）逐个反相，通过将相邻振子反接来实现反相；

4．介质板（10）的相对介电常数

为2~5，其介质损耗角正切

不大于0.002，厚度0.5~2mm。

图8-图10给出了利用商用软件HFSS得出的稀疏阵仿真性能，其方向图与理论预计吻合较好，实现了±23.5°的扫描能力（要求不出现高于-10dB的栅瓣和副瓣）。该扫描能力比设计扫描能力±25°减小了约±1.5°，这是由于阵面较小（8元阵）导致的，随着阵面元数的增加将趋向理论设计值。

Claims (6)

1.一种由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，自上而下，分别由四个偶极子（9）构成的四元子阵（1）——“单元”、功分网络（6）和反射板（7）组成，其特征在于：

由8个所述四元子阵（1）构成8元线阵，工作于5GHz，阵元间距D（2）为一个波长；

所述“单元”的印刷振子（3）为偶极子，双臂分别位于介质板（10）的不同侧；馈网（4、6）为平行双线，两根线位于介质板（10）的不同侧；所述“单元”天线（3）与馈网（4，6）分别印刷在介质板的正反两面，并垂直于反射板（7）安装；

所述四元子阵（1）采用4元偶极子（9）——镜像后8元阵，在Z向排阵实现，采用等幅馈电、密度加权的方式实现窗型，即扇形的方向图，窗口宽度±25度；

所述四元子阵（1）采用固定馈网（4）连接,采用并联/级联馈电以及密度阶梯量化的方式,实现较宽的方向图带宽；

采用反射板（7）改善天线阵的前后比，并利用反射板的镜像原理有效减小四元子阵（1）在Z向的高度； 

所述四元子阵（1）的固定馈网（4）通过移相器（5）与功分网络（6）连接，功分网络（6）与SMA连接器连接。

2.根据权利要求1所述的由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，其特征在于：为了降低成本和实施难度，用设定长度的传输线代替图1中的移相器（5），并用3dB威尔金森功分器并联馈电（6）；SMA连接器（8）穿过反射板（7）与功分网络（6）相接。

3.根据权利要求1所述的由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，其特征在于：天线阵扫描能力±15°-±35°，阵元，即四元子阵（1），间距1-1.6个波长，阵元排布的稀疏率为0.25-0.6。

4.根据权利要求1所述的由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，其特征在于：四元子阵（1）采用Z向密度加权综合法实现扇形方向图，上两个偶极子（13，14）的间距D1为0.2-0.6个波长，下两个偶极子（11，12）间距D2与D1相同；中间两个偶极子（10，11）的间距为0.3-0.8个波长；最下面的偶极子（12）与反射板（7）之间间距D4为0.5-1.5个波长。

5.根据权利要求1所述的由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，其特征在于：所述四个偶极子（13，14，11，12）逐个反相，通过将临近的偶极子反接实现倒相。

6.根据权利要求1所述的由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，其特征在于：所述介质板（10）的相对介电常数（                                                ）为2~5，其介质损耗角正切（

）小于或等于0.002，厚度为0.5-2mm。

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