CN102683898A - 基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法。将天线阵列分布在圆形的口径上，口径场分布在由两个及以上同心圆环组成的同心圆阵列上，每个同心圆环上布置有天线单元，同一个同心圆环上天线单元至少有3个，并中心对称均匀分布。所述的口径场分布通过基于贝塞尔函数的参数加权方法进行调节，得到赋形不同种类波束的连续口径场分布；通过离散方法计算得到不同种类波束对应的同心圆阵列中每一个同心圆环的半径和激励。本发明避免了复杂和无序的多维优化过程，得到一种确定性和快速的阵列天线布局和激励参数的实现方法，可广泛应用于相控阵雷达，导航卫星等阵列天线的分析与设计，实现不同场合下波束的快速赋型。

Description

基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法

技术领域

本发明涉及一种圆形口径综合方法，尤其是涉及一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法。

背景技术

随着无线通信的飞速发展，单个天线已经不能满足对于远场波瓣图的控制，例如，常见的反射面天线等不能很好控制口径上的激励，缺乏对远场的波束成形的控制，而单个微带，螺旋天线又不能满足增益上等的要求。

近年来，天线阵列技术广泛应用于雷达、卫星通信等系统中，但是由于在阵列天线的设计中，要得到阵元的位置和激励，往往通过一些全局优化算法（遗传算法、粒子群算法、差分进化算法等）来实现，耗费的时间随着阵元的增加，呈现指数级增加，而且最后结果不一定是最优的结果，对于稍微大的阵列实现效率非常之低。

口径综合方法是一种基于口径场分布与远场分布关系的方法，广泛应用于大型口径面的设计如平面天线、抛物面反射面天线等设计，和传统的阵列天线优化算法设计相比，具有一定的优越性，但是该方法只局限于一种波束赋形的设计，不能对不同种类的波束实现快速切换。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法，能对不同种类的波束实现快速切换。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案步骤如下：

1)将天线阵列分布在圆形的口径上，将口径场分布在由两个及以上同心圆环组成的同心圆阵列上，每一个同心圆环上布置有天线单元，同一个同心圆环上至少有3个天线单元，同一个同心圆环上的天线单元中心对称并均匀分布；

2)所述的口径场分布通过基于贝塞尔函数的参数加权方法进行调节，得到赋形不同种类波束的连续口径场分布；

3)将步骤2)得到的连续口径场分布通过离散方法计算得到不同种类波束对应的同心圆阵列中每一个同心圆环的半径和激励。

所述的基于贝塞尔函数的参数加权方法采用贝塞尔函数的内部加权或者外部加权，内部加权采用尺度变换的方法，外部加权采用线性函数或者指数函数的方法。

所述的不同种类波束是笔形波束、平顶波束、等通量波束或差分波束。

所述的离散方法采用采样离散方法或者口径上电流分布累积函数计算方法。

所述的每一个同心圆环的激励都是实数。

所述的每一个同心圆环的激励利用功分器来实现，功分器采用多级馈电网络方式，并利用微带线或者带状线来实现。

本发明具有的有益的效果是：

该方法能快速评估某一个口径面上通过同心圆阵列实现所需不同种类波瓣图的可行性，而且提够了一种确定性的方法,首先通过加权的方法得到合适的准贝塞尔函数的连续口径分布，然后离散得到同心圆阵列，避免了复杂的随机优化算法，提供波束赋形的快速、确定性的一种方法，为大型阵列和稀疏阵列的设计带来了方便，圆形口径由于其很好的对称性，使得其广泛应用在各种场合中。

附图说明

图1是圆形口径的远场辐射原理图。

图2是尺度变换加权的准贝塞尔函数J₁(Px)/x的一种口径场分布图。

图3是尺度变换加权的准贝塞尔函数J₁(Px)/x的一种远场辐射图。

图4是同心圆阵列的一种基本实现结构图。

图5是功分器中的馈电网络的一种基本结构图。

图中：1、输入端口，2、第一层馈电网络的输出口，3、第一层馈电网络，4、第二层馈电网络。

具体实施方式

本发明方法的具体步骤如下：

1)将天线阵列分布在圆形的口径上，将口径场分布在由两个及以上同心圆环组成的同心圆阵列上，每一个同心圆环上布置有天线单元，同一个同心圆环上至少有3个天线单元，同一个同心圆环上的天线单元中心对称并均匀分布；

2)所述的口径场分布通过基于贝塞尔函数的参数加权方法进行调节，得到赋形不同种类波束的连续口径场分布；

3)将步骤2)得到的连续口径场分布通过离散方法计算得到不同种类波束对应的同心圆阵列中每一个同心圆环的半径和激励。

所述的基于贝塞尔函数的参数加权方法采用贝塞尔函数的内部加权或者外部加权，内部加权采用尺度变换的方法，外部加权采用线性函数或者指数函数的方法。所述的内部加权参数必须大于0，通过调节内部加权参数的大小，调节波束宽度和改变整个波束的形状，内部加权参数越大波束越宽，当内部加权参数趋向于无穷小时，等同于等幅同相激励。要实现不同的波束赋形，线性函数加权和指数函数加权需要与所述的准贝塞尔函数一起建模、优化，得到所需的连续口径场分布。

所述的不同种类波束是笔形波束、平顶波束、等通量波束或差分波束。

所述的离散方法采用采样离散方法或者口径上电流分布累积函数计算方法。

所述的每一个同心圆环的激励都是实数。

每个同心圆环上的天线单元的数量是由每个同心圆环的半径和天线单元的大小决定，半径越大单元越多，辐射效率越高；根据优化得到的连续口径场分布，采用同心圆结构，每个同心圆环上的激励的幅度和相位相等，同心圆环的数量是由整个口径的大小和天线单元本身的大小决定，任意相邻两个天线单元之间的距离大于等于半波长。

如图1所示，口径在xoy平面，其中圆形口径边界的半径为a，其中θ和φ分别为俯仰角和方位角，r是远场测量点距离圆形口径中心的距离，β是同心圆环的辐射单元的极坐标下的角度，ρ是同心圆环的径向距离，dβ和dρ分别是辐射单元在径向和角度上的大小，P(r,θ,φ)是远场辐射能量分布。

实施例：

如图4所示，采用由三个同心圆环组成的同心圆阵列布局结构。最内圈同心圆环上有4个天线单元，中间圈同心圆环上有8个天线单元，最外圈同心圆环上有12个天线单元，R₁、R₂、R₃分别是最内圈、中间圈、最外圈同心圆环的半径。

如图2所示，其中P是内部加权参数，横坐标是归一化半径a的径向坐标，纵坐标是口径场的幅度的大小，内部加权参数P分别采用4.5、7、8.5，尺度变换加权的准贝塞尔函数J₁(Px)/x的口径场分布如图2所示，口径场分布关于口径中心旋转对称。利用圆形口径场分布和远场辐射的关系，采用公式(1)

$F(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})={2\mathrm{\πa}}^2{\∫}_0^1{K}_0\left(x\right)J_0\left(\mathrm{ux}\right)\mathrm{xdx},---\left(1\right)$

其中，u=kasin(θ)，k是波数，K₀(x)是口径场分布，在本例中K₀(x)=J₁(Px)/x，把口径场分布代入公式(1)可以得到，

$F(\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=2\mathrm{\π}{a}^2{\∫}_0^1{J}_1\left(\mathrm{Px}\right)J_0\left(\mathrm{ux}\right)\mathrm{dx},---\left(2\right)$

最终可以通过改变P的大小，得到不同的远场辐射图，形成不同的波束。

如图3所示，其中P是内部加权参数，当取φ＝90°时，内部加权参数P分别采用4.5、7、8.5，尺度变换加权的准贝塞尔函数J₁(Px)/x的远场辐射图如图3所示，整个远场辐射图关于口径中心旋转对称。由图3发现，当P=4.5时，形成笔形波束，当P=7时，形成平顶波束，当P=8.5时形成等通量波束。

如图5所示，采用的馈电网络分成两层：第一层馈电网络3和第二层馈电网络4，信号从输入端口1输入，通过在第一层馈电网络3上的四等功分，第一层馈电网络的输出口2是四等功分在第一象限的第一层馈电网络3上的输出，第一层馈电网络3的输出分别作为第二层馈电网络4的输入信号，第一层馈电网络3的输出和第二层馈电网络4的输入采用低损耗同轴线连接，然后由第二层馈电网络4给所有同心圆环上的每个天线单元馈电，例如在第二层馈电网络4上第一层馈电网络的输出口2再经过两个不等功分器和一个等功分器被送到每个天线单元的馈电口。

本发明的核心是根据已知的远场特性，得到合适的口径场分布，这里采用加权基于贝塞尔函数的参数加权方法，通过优化和调节这些权值，可以改变远场波束的波速宽度，增益和形状等。例如，可以通过尺度变换加权系数改变波束的宽度和形状，通过指数衰减函数加权减小旁瓣，通过线性加权可以调节波束辐射中心的增益的大小。在得到了口径场分布之后，可通过上述方法实现波束赋形。

Claims (6)

1.一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法，其特征在于该方法的步骤如下：

1) 将天线阵列分布在圆形的口径上，将口径场分布在由两个及以上同心圆环组成的同心圆阵列上，每一个同心圆环上布置有天线单元，同一个同心圆环上至少有3个天线单元，同一个同心圆环上的天线单元中心对称并均匀分布；

2) 所述的口径场分布通过基于贝塞尔函数的参数加权方法进行调节，得到赋形不同种类波束的连续口径场分布；

3) 将步骤2)得到的连续口径场分布通过离散方法计算得到不同种类波束对应的同心圆阵列中每一个同心圆环的半径和激励。

2.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法，其特征在于：所述的基于贝塞尔函数的参数加权方法采用贝塞尔函数的内部加权或者外部加权，内部加权采用尺度变换的方法，外部加权采用线性函数或者指数函数的方法。

3.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法，其特征在于：所述的不同种类波束是笔形波束、平顶波束、等通量波束或差分波束。

4.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法，其特征在于：所述的离散方法采用采样离散方法或者口径上电流分布累积函数计算方法。

5.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法，其特征在于：所述的每一个同心圆环的激励都是实数。

6.根据权利要求1所述的一种基于贝塞尔函数的圆形口径场分布的阵列天线的设计方法，其特征在于：所述的每一个同心圆环的激励利用功分器来实现，功分器采用多级馈电网络方式，并利用微带线或者带状线来实现。

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