CN103178359A - 球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法 - Google Patents

球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法 Download PDF

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徐魁文
李欢
孟庆阳
皇甫江涛
冉立新
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Abstract

本发明公开了一种球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法。将天线阵列分布在球冠上，口径场分布在由两个及以上圆形阵列组成的球冠上，圆形阵列的圆心分布在球冠顶点和球心的连线上，每一个圆上布置有天线单元，同一个圆上至少有3个天线单元，且同一个圆上的天线单元中心对称并均匀分布在球冠上。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圆形阵列中每一个圆的半径和天线单元激励。本发明解决了球面共形阵列天线的设计，避免了复杂坐标转换等计算和无序的多维优化过程，可广泛应用于相控阵雷达及舰艇等共形阵列天线的设计，实现波束的快速赋型。

Description

球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法
技术领域
本发明涉及一种共形阵列天线的设计方法，尤其是涉及一种球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法。
背景技术
随着无线通信与现代军事技术的发展，能够与载体外形相互吻合的天线系统——共形天线的研究正在日渐得到人们的重视。阵列天线由很多天线单元组成，这些天线单元共形于物体的表面，以减少或消除窒气动力学性能的影响，这种天线称为共形天线。
共形天线具有剖面低，重量轻，易于安装于飞行器表面等优点，使得在天线技术不断发展的今天，共形天线越来越多的应用于诸多领域，其中共形天线由于其独有的优点在现代雷达中得到广泛地应用：首先，与其载体表面共形，对载体本身的空气动力学性能影响不大；其次，在保证天线性能的条件下，采用共形天线可以简化天线安装；而且目前普遍采用的平面相控阵列天线还存在很多问题，如：波束扫描范围窄，天线单元之间的互耦效应与扫描角相关等。球面阵列天线就是指所有阵元分布在一个球体表面，通常是分布在球冠的表面。球面阵列天线作为共形天线的一种，自然具备共形天线所有的优点。但由于自身形状的独特性，又使得它拥有一般阵列天线所不具有的辐射特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案步骤如下：
1) 将天线阵列分布在球冠的口径上，口径场分布在由两个及以上圆形阵列组成的球冠上，圆形阵列的圆心分布在球冠顶点和球心的连线上，每一个圆形阵列上布置有天线单元，同一个圆形阵列上至少有3个天线单元，且同一个圆形阵列上的天线单元中心对称并均匀分布在同一球冠上，整个球冠上的口径场分布关于球冠顶点和球心的连线旋转对称；
2) 所述的球冠的球面度小于2π，即所述的球冠小于半球面；
3）所述的口径场分布通过基于贝塞尔函数的参数加权进行调节，得到不同种类波束的连续口径场分布；
4) 将步骤3)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圆形阵列中每一个圆的半径和天线单元激励。
所述的基于者贝塞尔函数的参数加权调节方法，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、平顶波束或等通量波束。
所述的离散方法计算，是采用采样离散方法或者口径场分布累积函数计算方法。
所述的每一个圆形阵列中天线单元激励，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：
本发明提够和建立了一种基于连续球冠口径场分布的共形阵列天线模型，上述模型能够快速地评估某一个球冠口径上通过圆形阵列实现不同种类波瓣图的可行性。同时提供了一种确定性的方法，首先通过加权的方法得到合适的基于贝塞尔函数的连续口径分布，然后离散计算得到分布在球冠上的圆形阵列，模型简单有效，避免一些直接优化共形阵列的随机优化算法，如遗传算法、粒子群算法、蚂蚁算法等复杂模型和非常大运算量。为大型球面共形阵列天线的设计提供了一种确定性的方法，同时球冠口径由于具有其独特的特点，与载体面共形，旋转对称等特点广泛应用在现代雷达等各种场合。
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，圆锥面，球面等设计，和传统的阵列天线优化算法设计相比，具有不可比拟的优越性。
附图说明
图1是球冠口径模型结构图。
图2是基于贝塞尔函数尺度变换加权的                                               
Figure 2013100692756100002DEST_PATH_IMAGE002
的一种口径场分布图。
图3是基于贝塞尔函数尺度变换加权的
Figure 839535DEST_PATH_IMAGE002
的一种远场辐射图。
图4是球冠口径共形阵列的一种基本实现结构图。
图5是图4的俯视图。
图6是功分器中的两层馈电网络结构图。
图中：1、第一层馈电网络层，2、第二层馈电网络层，3、输入端口， 4、第一层馈电网络层与第二层馈电网络层接口，5、最内圈圆形阵列的天线单元馈电口，6、中间圆形阵列的天线单元馈电口，7、最外圈圆形阵列的天线单元馈电口。
 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图4、图5所示，本发明的具体步骤如下：
1) 将天线阵列分布在球冠的口径上，口径场分布在由两个及以上圆形阵列组成的球冠上，圆形阵列的圆心分布在球冠顶点和球心的连线上，每一个圆形阵列上布置有天线单元，同一个圆形阵列上至少有3个天线单元，且同一个圆形阵列上的天线单元中心对称并均匀分布在同一球冠上，整个球冠上的口径场分布关于球冠顶点和球心的连线旋转对称；
2) 所述的球冠的球面度小于2π，即所述的球冠小于半球面；
3）所述的口径场分布通过基于贝塞尔函数的参数加权进行调节，得到不同种类波束的连续口径场分布；
4) 将步骤3)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圆形阵列中每一个圆的半径和天线单元激励。
所述的基于者贝塞尔函数的参数加权调节方法，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、平顶波束或等通量波束。
所述的离散方法计算，是采用采样离散方法或者口径场分布累积函数计算方法。
所述的每一个圆形阵列中天线单元激励，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。 
整个共形阵列天线分布在球冠上，且圆形阵列的圆心分布在球冠顶点和球心的连线上，共形天线阵列关于球冠顶点和球心的连线旋转对称。每个圆上的天线单元的数量是由每个圆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，每个圆形阵列上的天线单元的激励的幅度和相位相等，圆形阵列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，口径为一个球面度小于2π的球冠，其中球冠口径的球面度为2α0，R0是球冠口径的对应的球的半径，其中2α是对应球冠口径上的辐射单元的球面度，r是球冠口径上辐射单元的圆的半径，dr、dα是用于计算远场辐射的积分区域的圆的半径的步长和球面度步长。
实施例：
如图4所示，采用由三个圆形阵列组成的球面共形阵列天线布局结构，图5是整个球面共形阵列天线映射到平面的分布图，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。假设球冠口径的球面度参数α0=5°，球冠口径的对应的球的半径R0为28.68 λ，λ是中心频率对应的波长，球冠口径映射到平面的最大半径为a= R0*sin(α0)=2.5 λ。
如图2所示，其中P是内部加权参数，横坐标α是对应球冠口径上的辐射单元的球面度，纵坐标是归一化的球冠口径场的幅度的大小，内部加权参数P分别采用1、3、5、7，基于贝塞尔函数尺度变换加权的的口径场分布如图2所示，口径场分布关于球冠顶点和球心之间连线旋转对称。利用球冠口径分布
Figure 2013100692756100002DEST_PATH_IMAGE004
和远场辐射的关系，
，    (1)
其中，
Figure 2013100692756100002DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 2013100692756100002DEST_PATH_IMAGE012
，k是波数，θ和Φ分别为俯仰角和方位角，
Figure 2013100692756100002DEST_PATH_IMAGE014
是第一类0阶贝塞尔函数，
Figure 723363DEST_PATH_IMAGE004
是口径场分布，在本例中=
Figure 9910DEST_PATH_IMAGE002
,是基于贝塞尔函数尺度变换加权的口径场分布。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
Figure 2013100692756100002DEST_PATH_IMAGE016
时，内部加权参数P分别采用1、3、5、7，基于贝塞尔函数尺度变换加权的
Figure 832373DEST_PATH_IMAGE002
的口径场分布的远场辐射图如图3所示，整个远场辐射图关于球心旋转对称。由图3发现，当P=1、3时，形成笔形波束，而且P越大，波束宽度越宽；当P=5时，逐渐趋于平顶波束；当P=7时形成等通量波束。
如图6所示，整个馈电网络如图所示，采用微带线或者带状线形式加工制作。分成两层，第一层馈电网络层1和第二层馈电网络层2，信号从输入端口3输入，通过一个四等分的功分器，把功率等分到每个象限。以第一象限为例，信号经过四等功分后再经过一个不等功分，一路信号与最内圈圆形阵列的天线单元馈电口5相接，另一路信号通过第一层馈电网络层与第二层馈电网络层接口4，把信号从第一层馈电网络层1传输到第二层馈电网络层2，最终按图5所示的信号的分配路径，把信号分别传输到中间圆形阵列的天线单元馈电口6和最外圈圆形阵列的天线单元馈电口7。所有的功分器的输出口采用SMA的形式和天线单元的馈电口之间采用低损耗同轴线连接，如图5所示，其他象限同理也是如第二象限一样结构，信号功率的分配如上所述。
    本发明的核心是根据球冠口径的特点，建立了简单而且准确的模型，能够根据已知的远场特性，得到合适的球冠口径场分布，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。在得到了球冠口径场分布之后，可通过上述方法实现波束赋形，改变了以往共形天线阵列设计基本依靠随机优化算法的模式。

Claims (5)

1.一种球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
1) 将天线阵列分布在球冠的口径上，口径场分布在由两个及以上圆形阵列组成的球冠上，圆形阵列的圆心分布在球冠顶点和球心的连线上，每一个圆形阵列上布置有天线单元，同一个圆形阵列上至少有3个天线单元，且同一个圆形阵列上的天线单元中心对称并均匀分布在同一球冠上，整个球冠上的口径场分布关于球冠顶点和球心的连线旋转对称；
2) 所述的球冠的球面度小于2π，即所述的球冠小于半球面；
3）所述的口径场分布通过基于贝塞尔函数的参数加权进行调节，得到不同种类波束的连续口径场分布；
4) 将步骤3)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圆形阵列中每一个圆的半径和天线单元激励。
2.根据权利要求1所述的一种球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法，其特征在于：所述的基于者贝塞尔函数的参数加权调节方法，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所述的一种球冠口径场分布的共形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、平顶波束或等通量波束。
4.根据权利要求1所述的一种球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法，其特征在于：所述的离散方法计算，是采用采样离散方法或者口径场分布累积函数计算方法。
5.根据权利要求1所述的一种球冠口径场分布的共形阵列天线的设计方法，其特征在于：所述的每一个圆形阵列中天线单元激励，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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