CN103985970A - 抑制大间距相控阵天线栅瓣的布阵方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种抑制大间距相控阵天线阵列栅瓣的布阵方法，具有如下其特征：整个阵列天线阵面按直角坐标系分为四个象限，四个象限关于象限中心旋转对称或轴对称；每个象限中包含N个边缘不发生重叠的子阵，N个子阵按照从阵列中心沿半径方向向外稀疏化排布，形成非周期阵列；每个子阵包括M个单元，M个单元的位置按照不同的栅格形式均匀或非均匀排布，N*M个单元的间距大于一个波长；阵列的边缘形状近似为圆形、椭圆形、八角形、矩形等阵形。本发明结合阵列稀疏化原理与子阵级非周期结构原理构造出一个单元间距大于一个波长的阵列，以较少的天线单元达到增益、分辨率、栅瓣抑制等技术指标和要求，降低了天线系统的成本。

Description

抑制大间距相控阵天线栅瓣的布阵方法

技术领域

本发明涉及导航、通信等领域相控阵天线布阵方法，特别是涉及阵列单元间距在一个波长以上的大间距相控阵天线的栅瓣抑制方法。

背景技术

相控阵天线通常是由一组离散辐射天线组成，这些辐射天线可以排列成直线结构，也可以排列成两维平面结构或者空间拱形结构。每个辐射天线的振幅和相位激励能独立地控制，以便在空间形成任意要求形状的波束。

阵列天线的结构形式是多种多样的，最基本的形式是线性阵，它是指多个辐射元的中心在一条直线上的阵列天线，单元间距可以是相等的，也可以是不等的。当天线的辐射元的中心排列在一个面上时，则称它为面阵。面阵周围所形成的轮廓形状，可以是矩形面阵，也可以是圆形面阵等。在阵列天线中，单元间距一般取1/2波长，若单元间距过大会在方向图中形成不必要的栅瓣，太小则会使阵列天线单元间的互耦变大，影响天线性能，同时会增加阵列天线的设计难度。

相邻单元间距不超过1/2波长的大型相控阵不仅结构复杂，而且造价高昂，严重地限制了相控阵天线的应用。因此为了降低阵列天线的成本，采用单元间距大于一个波长的的阵列天线是一种可行的方法。这种阵列可以大大地减少单元数目，但按照常规的方法设计这种阵列时，就一定会出现栅瓣，栅瓣的存在不但会减小波束的扫描范围、降低准确度，而且由于栅瓣分走了大量主瓣的能量，从而降低了能量的利用率，减小了波束的扫描距离。因此如何抑制大间距阵列天线的栅瓣就成为近年来业界最为炙手可热的研究课题。国内外许多专家学者对抑制大间距阵列天线栅瓣方面进行了大量的研究，从公开发表的文献可以看出，抑制栅瓣有两种途径：

1、对阵列天线在子阵级或者单元级上进行非周期结构排布，将栅瓣能量分散；

2、利用单元方向图来压低阵列栅瓣。

在本发明中主要涉及第一种。

阵列天线中的非周期结构是指多个阵列单元在排布时相互之间的间距均不相同，利用非周期结构进行布阵的方式有两种：一种是单元级的非周期排布方式，即对阵列中的每个单元都进行非周期的排布；另一种是子阵级的非周期排布方式，即假设阵列有N个子阵，每个子阵有M个单元，子阵中M个单元可按照周期或非周期的方式排布，而N个子阵间采用非周期排布。

典型的单元级非周期结构阵列是稀疏阵列，这种阵列是对阵列中每个单元采用稀疏化原理进行布局，应用稀疏化原理布局有两类方法：一类是将一定数目的天线单元从均匀间隔阵列中稀疏而形成，其单元间距是原均匀阵列的单元间距的整数倍；另一类是天线单元在天线孔径上随机分布，其单元间距是相互不可整除的。第二类无需像第一类阵列那样约束天线单元在等间隔的规则栅格上，所以优化的自由度更大，有利于更大限度地提高阵列天线的相关性能，采用这样布局的阵列不仅不会出现栅瓣，而且其栅瓣电平可以做得很低，但是这种阵列会增大阵面的制造和加工难度，并使阵面的其他部分变得十分复杂。

因此，采用子阵级非周期结构来抑制栅瓣就应运而生，相对于单元级非周期结构排布，子阵级非周期结构大大减小了阵面及其他部分的设计难度，并且减少了优化量。

将大小相等的子阵邻接排布会导致天线方向图出现大的栅瓣，为此,国内外学者提出了多种子阵排布的方法，如：旋转子阵排列组合，在1978年，Vishwani D.Agrawal和Thomas C.Tong采用四个大间距的子阵旋转排列组成的阵列得到了抑制栅瓣的效果，其不足之处是四个子阵发生了重叠；2002年Mark L.Goldstein等人在其专利申请中给出了一种由非周期子阵分布在四个同心圆环上，中心也布有一个子阵，这种分布是在子阵内和子阵间都采用非周期阵列排布，有效地抑制了栅瓣；在2003年，国内的学者朱瑞平等人给出了一种非周期环栅阵，其阵面采用圆环栅格结构及子阵插箱结构，这种结构对栅瓣有一定的抑制作用；2010年Yury V.Krivosheev和Alexandr V.Shishlov分析了几种子阵排布的情况，包括：(a)子阵的相对位移错位；(b)子阵间加间隙；(c)子阵间加间隙及错位；(d)对角子阵取不同的单元间距；(e)子阵旋转，这些方法使栅瓣得到了一定程度的抑制。还有近些年来，许多学者采用不同的优化算法给出非周期子阵的位置排列，这些算法各有不同，难易程度也不同。

综上所述，将稀疏化原理应用于子阵级非周期结构的排布中将使设计简化，同时兼顾稀疏阵列中的优点，使得栅瓣得到有效的抑制。

发明内容

本发明的任务是针对现有的大间距阵列非周期排布技术中的优缺点，提出一种具有栅瓣抑制能力，既能够兼顾稀疏阵列优点，又能简化设计过程，降低设计难度，形成良好和差方向图的布阵方法。

本发明所采用的技术方案是：一种抑制大间距的相控阵天线阵列栅瓣的布阵方法，具有如下其特征：整个阵列天线阵面按直角坐标系分为四个象限，四个象限关于象限中心旋转对称或轴对称；每个象限中包含Ｎ个边缘不发生重叠的子阵，N个子阵按照从阵列中心沿半径方向向外稀疏化排布，形成非周期阵列，每个子阵内包括M个单元；M个单元的位置按照不同的栅格形式均匀或非均匀排布，N*M个单元间的间距大于一个波长，阵列的边缘形状近似为圆形、椭圆形、八角形、矩形阵型。最佳实施例中形成的阵列近似为八角形阵。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明结合阵列稀疏化原理与子阵级非周期结构原理构造出一个单元间距大于一个波长的阵列，以较少的天线单元达到增益、分辨率、栅瓣抑制等技术指标和要求，降低了天线系统的成本，减轻了阵列天线的重量。

本发明将阵列的子阵级非周期结构简化为稀疏化设计，再配合子阵内单元间的排布，使整个阵列在子阵级上是非周期排布，在单元级上也呈现非周期排布，对栅瓣起到较好的抑制作用。由理论分析和计算机仿真结果可见，对阵列子阵中心位置进行优化，可获得较优阵列方向图，有效地抑制了阵列的栅瓣。

本发明将整个阵列按象限分为4部分，其他象限与第一象限的排布中心旋转对称或轴对称，在设计时只需设计一个象限即可，减轻了设计负担，降低了设计难度。同时，这样设计兼顾了阵列天线和差方向图的形成，可得到良好的和差性能。

本发明兼顾了稀疏阵列的优点，在简化子阵级非周期结构的设计的同时，有效地降低了运算量，通过对子阵中心位置的优化设计，得到合理的阵列布局。

附图说明

图1为本发明最佳实施例中大间距相控阵天线阵列布局示意图。

图2为图1的Ⅰ象限子阵排布示意图。

图3是最佳实施例阵列天线方位面内的方向图(假设单元天线为全向天线)

图中：1单元的位置，2子阵的中心位置，①至为象限I中子阵的标号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

参阅图1。在以下实施例中，抑制大间距的相控阵天线阵列栅瓣的布阵以总单元数1088，子阵数64，栅瓣小于-11dB的阵列布局为最佳实施例。图中1是单元的位置，16个单元组成一个子阵，方形边框是子阵的边缘，图中2是方形边框子阵的中心位置，在第一象限中共有17个子阵，整个阵列共有68(4*17)个子阵，1088(4*17*16)个单元。

整个阵列的排布主要包括两部分：一部分为子阵内单元的排布，另一部分为子阵与子阵间的排布。整个相控阵天线阵列按象限分为四部分，这四个部分关于象限中心旋转轴对称或轴对称；阵列天线阵面按直角坐标系分为四个象限，象限Ⅰ、象限Ⅱ、象限Ⅲ和象限Ⅳ。象限Ⅱ、象限Ⅲ和象限Ⅳ与第一象限的排布对称，以形成所需的和波束、方位差波束以及俯仰差波束。每一个部分中包括N个子阵，每个子阵内包括M个单元，共N*M个单元；每个子阵内M个单元的位置可按照不同的栅格形式均匀或非均匀排布。每个子阵内M个单元的位置按照圆环栅格、矩形栅格或者三角形栅格均匀或非均匀排布，相邻单元之间的间距大于一个波长，不同的子阵内的单元可采用不同的单元间距。N个子阵的中心位置则采用稀疏化原理进行优化排布，从阵列天线中心沿半径方向进行排布，排布时兼顾子阵边缘不发生重叠的原则，最终形成非周期相控阵天线阵列；天线阵面的边界可以近似为圆形、椭圆形、八角形，矩形等阵形。

参阅图2。首先是子阵内单元的排布，子阵内单元间距大于一个波长，子阵①—⑩的单元间距为1.266倍波长，子阵的单元间距为1.39倍波长；单元间可为均匀排布或非均匀排布，该实施例中采用均匀排布；子阵内单元数目可根据相关性能要求采用不同的大小规模，例如圆形栅格排布时，子阵内单元数可以为3、9、15等，矩形栅格或三角形栅格排布时，子阵内单元数可以为2×2，4×4，8×8等，实施例中采用单元数为4×4的矩形栅格形式。

其次是子阵与子阵之间的排布，子阵的中心位置按照阵列稀疏化原理布局，布局时以子阵与子阵边缘不发生重叠为原则，按照从阵列中心沿半径方向向外稀疏化的方法。

参阅图2。根据稀疏化原理进行优化设计，得到：在第一象限中，子阵①—⑩的单元间距为1.266倍波长，其中子阵①—⑥的中心位置坐标为(80mm，80mm)、(80mm,240mm)、(80mm,400mm)、(240mm,80mm)、(240mm,240mm)、(400mm,80mm)；子阵⑦—⑩的中心位置坐标为(100mm，580mm)、(260mm，420mm)、(420mm，260mm)、(580mm，100mm)，这4个子阵的中心位置在半径方向上进行了位置上的稀疏；子阵的单元间距为1.39倍波长，其中心位置坐标为(102mm，766mm)、(274mm，618mm)、(446mm，446mm)、(618mm，274mm)、(766mm，102mm)、(446mm，618mm)、(618mm，446mm),这7个子阵的中心位置沿半径方向也进行了位置上的稀疏。在排布子阵的过程中为了不发生子阵边缘的重叠，将子阵中边缘单元与子阵边缘的间距由原来的22mm减小为20mm，这样既能保证所有子阵单元之间的最小间距为40mm，也可避免子阵之间的重叠。其它三个象限的单元位置可将Ⅰ象限中的单元对称得到。

由于整个阵列是由子阵组成，阵列的边缘形状可以近似为圆形、椭圆形、八角形，矩形等形状。该实施例中形成的阵列式近似为八角阵。

参见图3，图中给出理论计算得到的最佳实施例的方位面归一化方向图，由于阵列是对称的，因此阵列在俯仰面的方向图与方位面的一样，这里只给出方位面的归一化方向图。在理论计算时假设单元为全向单元天线，可以看出，在天线的方向图中，栅瓣小于-11dB，副瓣小于-20dB。如果单元换成具有一定方向性的天线，栅瓣还可以进一步被抑制。

以上所述仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，类似的同类结构的等效变换，均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种抑制大间距的相控阵天线阵列栅瓣的布阵方法，具有如下其特征：整个阵列天线阵面按直角坐标系分为四个象限，四个象限关于象限中心旋转对称或轴对称；每个象限中包含N个边缘不发生重叠的子阵，N个子阵按照从阵列中心沿半径方向向外稀疏化排布，形成非周期阵列；每个子阵包括M个单元，M个单元的位置按照不同的栅格形式均匀或非均匀排布，N*M个单元的间距大于一个波长；阵列的边缘形状近似为圆形、椭圆形、八角形、矩形等阵形。 

2.根据权利要求1所述的抑制大间距相控阵天线栅瓣的布阵方法，其特征在于：象限Ⅱ、象限Ⅲ和象限Ⅳ与第一象限的排布对称。 

3.根据权利要求1所述的抑制大间距相控阵天线栅瓣的布阵方法，其特征在于：每个子阵M个单元的位置按照圆环栅格、矩形栅格或者三角形栅格均匀或非均匀排布，不同的子阵的单元采用不同的间距。 

4.根据权利要求1所述的抑制大间距相控阵天线栅瓣的布阵方法，其特征在于：子阵①—⑩的单元间距为1.266倍波长，子阵的单元间距为1.39倍波长。 

5.根据权利要求1所述的抑制大间距相控阵天线栅瓣的布阵方法，其特征在于：子阵内单元数目根据相关性能要求采用不同的大小规模，圆形栅格排布时，子阵内单元数为3、9、15，矩形栅格或三角形栅格排布时，子阵内单元数为2×2，4×4，8×8。 

6.根据权利要求1所述的抑制大间距相控阵天线栅瓣的布阵方法，其特征在于：通过优化设计得到：在第一象限中，子阵①—⑩的单元间距为1.266倍波长，其中子阵①—⑥的中心位置坐标为（80mm，80mm）、（80mm,240mm）、（80mm,400mm）、（240mm,80mm）、（240mm,240mm）、（400mm,80mm）；子阵⑦—⑩的中心位置坐标为（100mm，580mm）、（260mm，420mm）、（420mm，260mm）、（580mm，100mm），这4个子阵的中心位置在半径方向上进行了稀疏；子阵—的单元间距为1.39倍波长，其中心位置坐标为（102mm，766mm）、（274mm，618mm）、（446mm，446mm）、（618mm，274mm）、（766mm，102mm）、（446mm，618mm）、（618mm，446mm），也进行了稀疏。

7.根据权利要求1所述的一种抑制大间距相控阵天线栅瓣的布阵方法，其特征在于：所有子阵单元之间的最小间距为40mm。