CN102655276B - 一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法 - Google Patents

一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，包括以下几个步骤：步骤一：建立无人机共形相控阵天线阵和天线单元的坐标系；步骤二：获取无人机共形相控阵天线单元分布；步骤三：获取无人机共形相控阵天线单元场方向图数据；步骤四：对共形相控阵天线阵总场进行合成；步骤五：获取共形相控阵天线增益方向图。本发明利用单个单元的方向图来合成总的方向图，计算速度快，并可以计算单元数量较多的共形相控阵；而传统的采用电磁场数值计算办法，计算速度慢，而且通常计算的单元个数比较少。

Description

一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法
技术领域
本发明涉及一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，属于无人机技术领域。
背景技术
相控阵天线具有较多优点：系统功率效率高、可以获得天线赋形、电扫描可快速跟踪、隐身性能好等多种技术优势。如果天线单元分布在机体的表面，与机体的轮廓重合则形成共形相控阵天线。共形相控阵天线具有比平面相控阵更多的优点：安装体积小、不影响飞行器的气动性能、扫描范围更大等。
在无人机机头前段安装圆台结构的共形相控阵可以大大提高无人机的探测能力和隐身性能。由于天线为共形结构，所有天线单元不在一个平面内，无法分离阵元和阵因子、同时各个单元的极化方向不同，将导致严重的交叉极化分量。通常的平面阵天线增益方向图合成方法不能适用于共形天线阵。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法。
一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，包括以下几个步骤：
步骤一：建立无人机共形相控阵天线阵和天线单元的坐标系；
步骤二：获取无人机共形相控阵天线单元分布；
步骤三：获取无人机共形相控阵天线单元场方向图数据；
步骤四：对共形相控阵天线阵总场进行合成；
步骤五：获取共形相控阵天线增益方向图。
本发明的优点在于：
(1)本发明利用单个单元的方向图来合成总的方向图，计算速度快，并可以计算单元数量较多的共形相控阵；而传统的采用电磁场数值计算办法，计算速度慢，而且通常计算的单元个数比较少；
(2)本发明利用场矢量合成的办法，不再分离出阵元和阵因子，可以计算任意共形结构的相控阵；而传统的阵元和阵因子的方法只能计算平面相控阵。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的共形相控阵天线示意图；
图3是本发明的单元的位置等角度均匀分布示意图；
图4是本发明的单元的位置部分等角度分布示意图；
图5是本发明的单元的位置部分等间距分布示意图；
图中：
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：
步骤一：建立无人机共形相控阵天线阵和天线单元的坐标系；
无人机的共形相控阵天线采用圆台共形相控阵天线，如图2所示，以圆台下底中心o点为原点，在下底面内，垂直向外为x轴，垂直向上为z轴，右手旋构成全局坐标系oxyz；上底半径为r，下底半径为R，高度为h，倾角
Figure BDA0000152886410000021
圆台的方程为
Figure BDA0000152886410000022
P点为圆台上某一天线单元所在的点，以P点为原点，沿着母线方向从底端向顶端建立z′轴，垂直圆台方向为x′轴，与圆台相切构成y′轴，构成局部坐标系Px′y′z′坐标系，
Figure BDA0000152886410000023
为Pz′轴在下底面的投影与x轴所成的夹角；
步骤二：获取无人机共形相控阵天线单元分布；
单元的位置分布有三种形式，第一种，等角度均匀分布，天线单元分布在整个圆周上，沿着圆周方向360°角度范围内等圆心角均匀分布，沿着母线上等间距分布，如图3所示；第二种，部分等角度分布，天线单元分布在部分圆周上，沿着圆周方向天线单元之间的圆心角相同，沿着母线上等间距分布，如图4所示；第三种，部分等间距分布，天线单元分布在部分圆周上，沿着圆周方向天线单元之间的弧长相等，沿着母线上等间距分布，如图5所示。
步骤三：获取无人机共形相控阵天线单元场方向图数据；
将无人机共形相控阵天线的一个单元的全空间场方向图作为单元场方向图数据，表示为其中m表示圆周上天线单元的序号，n表示母线上天线单元的序号，表示第(m，n)天线单元所在的局部坐标系下的方位角，θmn′表示第(m，n)天线单元所在局部坐标系下的俯仰角，
Figure BDA0000152886410000026
为第(m，n)天线单元在局部坐标系下的单元场方向图。利用商业电磁场仿真软件获取无人机共形相控阵天线的独立的一个天线单元的全空间场方向图，单元场方向图数据包括：方位角
Figure BDA0000152886410000027
俯仰角θ，场方向图的实部和虚部，其中
Figure BDA0000152886410000028
θ∈[0°，180°]，角度间距小于1°；由于单元场方向图是一个矢量，通常场方向图包含x、y、z三个方向的场方向图，或者
Figure BDA0000152886410000029
和θ方向的场方向图。
步骤四：对共形相控阵天线阵总场进行合成；
利用场矢量合成法获取相控阵天线的总场：
Figure BDA0000152886410000031
其中：
Figure BDA0000152886410000032
表示全局坐标系下的方位角，θ表示全局坐标系下的俯仰角，
Figure BDA0000152886410000033
为在全局坐标系下的总场，M表示圆周上天线单元的个数，N表示母线上天线单元的个数，Amn为第(m，n)个天线单元的激励幅度，
Figure BDA0000152886410000034
为第(m，n)个天线单元的激励相位，
Figure BDA0000152886410000035
为自由空间的波数，λ为电磁波的波长，
Figure BDA0000152886410000036
为天线单元所在的位置矢量，
Figure BDA0000152886410000037
为
Figure BDA0000152886410000038
方向单位矢量，
Figure BDA0000152886410000039
为局部坐标系Px′y′z′坐到全局坐标系oxyz下的变换矩阵。
由于
Figure BDA00001528864100000310
在步骤三中通过商业电磁场仿真软件获得，因此获取共形结构的方向图需要得到的是
Figure BDA00001528864100000311
以及与全局坐标系下的
Figure BDA00001528864100000312
对应的局部坐标系下的假设
Figure BDA00001528864100000314
为全局坐标系oxyz到局部坐标系Px′y′z′下的变换矩阵，则有：
Z L W ′ = Z W L = Z Y Z Z
Figure BDA00001528864100000316
假设
Figure BDA00001528864100000318
为全局坐标系下的角度，
Figure BDA00001528864100000319
为
Figure BDA00001528864100000320
在对应的某个单元在局部坐标系下的角度， x L y L z L 为局部坐标系下的场矢量， x W y W z W 为全局坐标系下的场矢量，则有以下关系：
Figure BDA00001528864100000323
Figure BDA00001528864100000324
X L y L z L = Z W L X w y w z w . 则局部坐标系下的姿态角
Figure BDA00001528864100000326
可以表示为：
Figure BDA00001528864100000327
当为圆柱结构时，θ0＝90°，则有
Figure BDA00001528864100000329
Figure BDA00001528864100000330
步骤五：获取共形相控阵天线增益方向图；
步骤四计算出的为共形相控阵天线的总场方向图，其场数据的具体意义不明确，通常使用数据意义明确的增益方向图。
在已知共形相控阵天线周围全空间上的
Figure BDA0000152886410000041
时，则根据确定增益方向图为：
Figure BDA0000152886410000042
Figure BDA0000152886410000043
Figure BDA0000152886410000044
其中：
Figure BDA0000152886410000045
为功率方向图，
Figure BDA0000152886410000046
为增益方向图，Ps＝Pav为全空间的平均功率，
Figure BDA0000152886410000047
为标量场、Eav为全空间的平均标量场、R为源点到场点距离。

Claims (2)

1.一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，其特征在于，包括以下几个步骤：
步骤一：建立无人机共形相控阵天线阵和天线单元的坐标系；
无人机的共形相控阵天线采用圆台共形相控阵天线，以圆台下底中心o点为原点，在下底面内，垂直向外为x轴，垂直向上为z轴，右手旋构成全局坐标系oxyz；上底半径为r，下底半径为R'，高度为h，倾角
Figure FDA00002829052500011
圆台的方程为
Figure FDA00002829052500012
P点为圆台上某一天线单元所在的点，以P点为原点，沿着母线方向从底端向顶端建立z′轴，垂直圆台方向为x′轴，与圆台相切构成y′轴，构成局部坐标系Px'y'z'坐标系，
Figure FDA00002829052500013
为Pz′轴在下底面的投影与x轴所成的夹角；
步骤二：获取无人机共形相控阵天线单元分布；
单元位置分布为：第一种，等角度均匀分布，天线单元分布在整个圆周上，沿着圆周方向360°角度范围内等圆心角均匀分布，沿着母线上等间距分布；第二种，部分等角度分布，天线单元分布在部分圆周上，沿着圆周方向天线单元之间的圆心角相同，沿着母线上等间距分布；第三种，部分等间距分布，天线单元分布在部分圆周上，沿着圆周方向天线单元之间的弧长相等，沿着母线上等间距分布；
步骤三：获取无人机共形相控阵天线单元场方向图数据；
将无人机共形相控阵天线的一个单元的全空间场方向图作为单元场方向图数据，
Figure FDA00002829052500014
为第(m,n)天线单元在局部坐标系下的单元场方向图，其中m表示圆周上天线单元的序号，n表示母线上天线单元的序号，
Figure FDA00002829052500015
表示第(m,n)天线单元所在的局部坐标系下的方位角，θmn'表示第(m,n)天线单元所在局部坐标系下的俯仰角；获取无人机共形相控阵天线的独立的一个天线单元的全空间场方向图，单元场方向图数据包括：方位角
Figure FDA00002829052500016
俯仰角θ，场方向图的实部和虚部，其中
Figure FDA00002829052500017
θ∈[0°，180°]，角度间距小于1°；
步骤四：对共形相控阵天线阵总场进行合成；
利用场矢量合成法获取相控阵天线的总场：
Figure FDA00002829052500018
其中：
Figure FDA00002829052500019
表示全局坐标系下的方位角，θ表示全局坐标系下的俯仰角，
Figure FDA000028290525000110
为在全局坐标系下的总场，M表示圆周上天线单元的个数，N表示母线上天线单元的个数，Amn为第(m,n)个天线单元的激励幅度，
Figure FDA000028290525000111
为第(m,n)个天线单元的激励相位，
Figure FDA000028290525000112
为自由空间的波数，λ为电磁波的波长，为天线单元所在的位置矢量，
Figure FDA000028290525000114
为
Figure FDA000028290525000115
方向单位矢量，为局部坐标系Px'y'z'到全局坐标系oxyz下的变换矩阵；
因为
Figure FDA000028290525000117
在步骤三中获得，因此获取共形结构的方向图需要得到
Figure FDA000028290525000118
以及与全局坐标系下的
Figure FDA00002829052500021
对应的局部坐标系下的
Figure FDA00002829052500022
假设为全局坐标系oxyz到局部坐标系Px'y'z'下的变换矩阵，则有：
Figure FDA00002829052500024
Figure FDA00002829052500025
Figure FDA00002829052500026
假设为全局坐标系下的角度，
Figure FDA00002829052500028
为在对应的某个单元在局部坐标系下的角度， x L y L z L 为局部坐标系下的场矢量， x W y W z W 为全局坐标系下的场矢量，则有以下关系：
Figure FDA000028290525000212
Figure FDA000028290525000213
X L y L z L = Z W L X w y w z w ; 则局部坐标系下的姿态角
Figure FDA000028290525000215
表示为：
Figure FDA000028290525000216
Figure FDA000028290525000217
当无人机的共形相控阵天线为圆柱结构时，θ0=90°，则有
Figure FDA000028290525000218
Figure FDA000028290525000219
步骤五：获取共形相控阵天线增益方向图；
在已知共形相控阵天线周围全空间上的
Figure FDA000028290525000220
时，则根据确定增益方向图为：
Figure FDA000028290525000221
Figure FDA000028290525000222
Figure FDA000028290525000223
其中：
Figure FDA000028290525000224
为功率方向图，
Figure FDA000028290525000225
为增益方向图，Ps=Pav为全空间的平均功率，
Figure FDA000028290525000226
为标量场、Eav为全空间的平均标量场、R为源点到场点距离。
2.根据权利要求1所述的一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，其特征在于，所述的
Figure FDA00002829052500031
通过商业电磁场仿真软件获取。
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