CN103715518B - 泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的设计方法 - Google Patents

Abstract

泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的设计方法，涉及不等间距阵列天线。根据综合增益需求设定系统所需参数，分别代入不等距泰勒阵列和指数阵列得到两组阵元的分布位置；设计一个余弦权重函数将两组阵元的分布位置相结合，生成泰勒-指数复合阵列的阵元分布位置配置；根据阵元总数按4∶3∶2∶1的比例将阵列天线分成8个模块，对模块内部的阵元加载同样比例的激励幅度，获得泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线。可通过选取合适的余弦权重函数，使辐射方向图的副瓣电平按需控制；可用相位阻抗匹配的比例型功分器实现模组化馈电网络，既保持了简单馈电网络，减少辐射损耗，降低设计与制造成本；方向图综合更具有按需调控的灵活性。

Description

泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的设计方法

技术领域

本发明涉及不等间距阵列天线，尤其是涉及泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的设计方法。

背景技术

低副瓣天线可以有效地抑制其他方向的干扰，是高性能电子系统的一个重要组成部分。随着现代无线通信技术的快速发展，许多应用场合要求天线的辐射方向图具有低副瓣的特性，为了能够更好满足系统设计要求，往往需要把若干个天线按照某种方式排列构成阵列天线。排列方式可分别均匀和不均匀排列，我们将由不均匀排列的阵元组成的阵列称为不等距阵列，反之为等距阵列。等距阵列天线可以精确地控制各个阵元的激励,以产生低副瓣的辐射方向图，但是往往需要复杂的馈电网络，不仅提高了系统的辐射损耗，而且增加了天线系统的设计和制造难度。

不等距阵列天线由H.Unz（H.Unz,Lineararra_yswitharbitraril_ydistributedelements,IRETransactionsonAntennasandPropagation,vol.8,pp.222-223,1960）首次提出，与等距阵列天线相比，不等距阵列天线具有独特的优势，如减少系统所需的阵元数量、避免辐射方向图出现栅瓣、实现低副瓣的辐射方向图和具有简单的馈电网络等（S.Suarez,G.Leon,M.Arrebola,L.F.Herran,andF.Las-Heras,Linearaperiodicarrayofmicrostrippatchantennaswithgratinglobesreduction,IEEEinAntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium(APSURSI),2012,pp.1-2）。然而，涉及阵元分布位置的辐射方向图综合问题是非线性的，使得不等距阵列天线的方向图综合比均匀阵列天线困难和复杂。

针对不等距阵列天线的分析与设计，A.Ishimaru（A.Ishimaru,Theor_yofunequall_y-spacedarrays,IRETransactionsonAntennasandPropagation,Vol.10,No.6,1962,pp.691-702）提出了一种不等距泰勒阵列的方向图综合方法，Y.L.Chow（Y.L.Chow,Ongratingplateauxofnonuniformlyspacedarrays.IEEETransactiononAntennasandPropagation,1965,13(2):208-215）提出了一种阵元间距按指数函数增长的不等距指数阵列。随着计算机运算速度的不断提升，近年来出现了一系列可应用于不等距阵列天线的数值优化算法，如模拟退火法（J.FerreiraandF.Ares,Patternsynthesisofconformalarraysbythesimulatedannealingtechnique,ElectronicsLetters,Vol.33,No.14,1997,pp.1187-1189）、差分进化法（J.-L.GuoandJ.-Y.Li,Patternsynthesisofconformalarrayantennainthepresenceofplatformusingdifferentialevolutionalgorithm,IEEETransactionsonAntennasandPropagation,Vol.57,No.9,2009,pp.2615-2621）、遗传算法（M.A.Panduro,Designofcoherentl_yradiatingstructuresinalineararra_ygeometr_yusinggeneticalgorithms,AEU-InternationalJournalofElectronicsandCommunications,Vol.61,No.8,2007,pp.515-520）、粒子群算法（D.Mandal,S.Das,S.Bhattacharjee,etal,Linearantennaarraysynthesisusingnovelparticleswarmoptimization,IndustrialElectronics&Applications(ISIEA),2010IEEES_ymposiumon.2010,pp.311-316）、矢量搜寻法（S.HoandS.Yang,Multiobjectivesynthesisofantennaarraysusingavectortabusearchalgorithm,IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,Vol.8,2009,pp.947-950），以及西北工业大学的郑莲玉等人为降低不等距阵列天线的副瓣电平，提出一种基于非均匀快速傅立叶变换的迭代算法（郑莲玉,万国宾,蒋里芳,基于迭代NUFFT的不等距阵列天线低副瓣方向图综合,微波学报,vol.29,pp.17-20,2013）。但是以上这些方向图综合方法只涉及不等距阵列天线的阵元分布位置，并没有综合考虑阵元的分布位置与激励幅度，其应用往往具有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的设计方法。

本发明包括以下几个步骤：

1）根据综合增益需求设定系统所需的参数；

2）将步骤1）设定的参数分别代入不等距泰勒阵列和指数阵列，得到两组阵元的分布位置；

3）设计一个余弦权重函数将两组阵元的分布位置相结合，生成泰勒-指数复合阵列的阵元分布位置配置；

4）根据阵元总数按4∶3∶2∶1的比例将阵列天线分成8个模块，并对8个模块内部的阵元加载同样比例的激励幅度，获得泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线。

在步骤1）中，所述参数包括阵元数量、阵元最小间距、副瓣电平值、主瓣角度等。

本发明可通过选取合适的余弦权重函数，使辐射方向图的副瓣电平可以按需控制，即可按最优化为最小，也可形成多峰/多向选择性辐射。

本发明提供了泰勒-指数复合不等间距阵元配置结合模组化激励幅度多控优化方向图综合技术，使方向图更具有按需调控的灵活性，既保持了简单的馈电网络，减少了辐射损耗，也降低了设计与制造成本，在移动接收、测向、导航等领域都具有潜在商业价值。本发明可以用相位阻抗匹配的比例型功分器实现模组化馈电网络。

与现有不等距阵列天线的设计方法相比，本发明的显著优点如下：

1、可通过选取合适的余弦权重函数，使辐射方向图的副瓣电平可以按需控制，既可按最优化为最小，也可形成多峰/多向选择性辐射；

2、可以用相位阻抗匹配的比例型功分器实现模组化馈电网络，既保持了简单的馈电网络，减少了辐射损耗，又降低了设计与制造成本；

3、激励幅度、相位、多元多控优化方向图，使方向图综合更具有按需调控的灵活性。

附图说明

图1为本发明泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线设计方法的流程框图。

图2为本发明实施例的关于阵列中心对称的不等距阵列天线示意图。

图3为本发明实施例的泰勒阵列、指数阵列和泰勒-指数复合不等距阵列天线右半部分阵元分布位置。

图4为本发明实施例的泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线右半部分阵元分布位置和激励幅度。

图5为本发明实施例的泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的辐射方向图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例的设计步骤如下：

步骤1：根据综合增益需求设定系统所需的参数：阵元数量、阵元最小间距、副瓣电平值和主瓣角度；

本实施例的不等距阵列天线关于阵列中心对称，阵元总数为2N＝40，阵元的最小间距为2s₁＝0.5λ，副瓣电平为SLL＝-30dB，主瓣角度为θ₀＝0°，如图2所示。

步骤2：将设定的参数分别代入一定截断精度的不等距泰勒阵列和指数阵列，得到两组阵元的分布位置；

一定截断精度的不等距泰勒阵列的阵元分布位置和指数阵列的阵元分布位置的表达式分别为：

$s_n^{\mathrm{Tay}}=v\left(y_n\right);y\left(v\right)=v+2\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{A}_q\frac{\sin \mathrm{q\πv}}{\mathrm{q\π}}---\left(1a\right);\left(1b\right)$

$s_n^{\mathrm{Exp}}=\frac{s_1}{(1+\mathrm{\δ})1n(1+\mathrm{\δ})}[{(1+\mathrm{\δ})}^n-1]---\left(2\right)$

其中，v(y_n)和y(v)分别为泰勒阵列所定义的源位置函数和源数量函数，Q＝6为决定泰勒阵列副瓣电平的参数，参数δ＝0.01决定了指数阵列的副瓣电平，将步骤1设定的参数值分别代入式(1a)、(1b)和(2)，便可得到不等距泰勒阵列和指数阵列的阵元分布位置。

本实施例泰勒阵列的阵元位置和指数阵列的阵元位置分别如图3的虚线和点划线所示，阵列中心附近两者的阵元分布基本相同，但靠近阵列边缘，泰勒阵列的阵元间距迅速变大，辐射方向图则会出现栅瓣的不利影响；指数阵列的阵元分布则趋近于线性分布，则会导致主瓣附近的副瓣电平太高，栅瓣和副瓣电平太高都是本实施例所不希望出现的。

步骤3：设计一个余弦权重函数将两组阵元的分布位置相结合，生成泰勒-指数复合阵列的阵元分布位置配置；

本实施例设计的余弦权重函数f_n为

$f_n=\cos \left(\frac{\mathrm{n\π}}{(2+\mathrm{\α})(\mathrm{\π}+\mathrm{\β})}\right)---\left(3\right)$

其中，微扰常量α＝0.2，β＝2，这两个参数为获得最佳的副瓣电平提供了更多的自由度。

将式(3)与步骤2的(1a)、(1b)、(2)式结合，更可得出阵元的分布位置s_n

$s_n=f_n{s}_n^{\mathrm{Tay}}+(1-f_n)s_n^{\mathrm{Exp}}---\left(4\right)$

结合式(3)和(4)，并将步骤2所得到的泰勒阵列阵元分布位置和指数阵列阵元分布位置代入，便可得到泰勒-指数阵列的阵元分布位置s_n，如图3的实线所示。泰勒-指数阵列的阵元分布为泰勒阵列和指数阵列的阵元分布的折中，其辐射方向图将克服栅瓣和副瓣电平太高的缺点。

步骤4：根据阵元总数的一定比例将阵列天线分成若干模块，并对各个模块内部的阵元加载同样比例的激励幅度，获得泰勒-指数不等间距阵列天线的辐射方向图。

为了达到系统要求的副瓣电平SLL＝-30dB，本实施例的阵元数量根据4∶3∶2∶1的比例划分模块，各个模块内部的阵元的激励幅度也保持4∶3∶2∶1的比例，如图4所示。将该比例的激励幅度和步骤3得出的泰勒-指数复合阵列阵元分布位置s_n代入以下表达式

$E\left(\mathrm{\θ}\right)=E_{\mathrm{ele}}\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{AF};\mathrm{AF}=\underset{n=N,n\≠0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_n{e}^{{\mathrm{jkd}}_n(\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{sim}{\mathrm{\θ}}_0)}---\left(5a\right);\left(5b\right)$

其中，E(θ)和E_ele(θ)＝cosθ分别为不等距阵列天线的辐射总场和各个阵元的辐射场（假设每个阵元各向同性，且不考虑耦合效应），AF为阵列因子，a_n和s_n分别代表第n个阵元的激励和分布位置，k＝2πλ为自由空间波数，λ为自由空间波长，θ为扫描角度，θ₀＝0°表示主瓣方向平行于阵列天线的法线，为边射阵。

最终获得泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的辐射方向图，如图5所示。该辐射方向图没有出现栅瓣，且副瓣电平低于-30dB，符合本实施例天线系统的设计要求。可见本发明泰勒-指数复合不等间距阵元配置结合模组化激励幅度多控优化方向图综合技术，使方向图更具有按需调控的灵活性，既保持了简单的馈电网络，减少了辐射损耗，也降低了设计与制造成本，在移动接收、测向、导航等领域都具有潜在商业价值。

Claims (2)

1.泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据综合增益需求设定系统所需的参数；

2)将步骤1)设定的参数分别代入不等距泰勒阵列和指数阵列，得到两组阵元的分布位置；

指数阵列位置分布：

$s_n^{Exp}=\frac{s_1}{(1+\mathrm{\δ})ln(1+\mathrm{\δ})}\[{(1+\mathrm{\δ})}^n-1\];n=2,3...N$

其中，s₁表示阵元的初始位置，δ为限制栅瓣的微扰常量；

3)设计一个余弦权重函数将两组阵元的分布位置相结合，生成泰勒-指数复合阵列的阵元分布位置配置；

余弦权重函数：

$f_n=cos\left(\frac{n\mathrm{\π}}{(2+\mathrm{\α})(N+\mathrm{\β})}\right)$

其中α和β是微扰量；

4)按阵元数目为4:3:2:1的比例自中心向两端将阵列模组化，共划分成8个模块，并对8个模块内部的阵元加载同样比例的激励幅度，获得泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线。

2.如权利要求1所述泰勒-指数复合不等距模组化阵列天线的设计方法，其特征在于在步骤1)中，所述参数包括阵元数量、阵元最小间距、副瓣电平值、主瓣角度。