CN105762533A - 基于模块化的8单元l形子阵的应用方法及其应用装置 - Google Patents

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孙立春
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Abstract

本发明公开了基于模块化的8单元L形子阵的应用方法及其应用装置。该方法包括：选择8个8单元L形子阵，这8个8单元L形子阵能利用拼接方法实现不同内部拼接结构但外形轮廓相同的8*8的正方形模块；形成多个8*8的正方形模块；从多个8*8的正方形模块中选择出L形子阵随机分布的20种8*8的正方形模块作为模块可选集合；在模块可选集合中，以随机选取的方式选择多个8*8的正方形模块拼接成目标天线阵；根据阵列天线远场方向图叠加原理，计算目标天线阵方向图评估组阵方式，如果目标天线阵方向图的性能符合指标要求则拼接结束，否则重新选择一种拼接方式直到重新拼接后的目标天线阵满足指标要求。本发明还公开与该方法相对应的装置。

Description

基于模块化的8单元L形子阵的应用方法及其应用装置
技术领域
本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种基于模块化的8单元L形子阵应用方法，本发明可用于有源相控阵雷达系统。
背景技术
随着现代雷达技术的飞速发展，雷达在对空间的监视与探测、战区预警及攻击评估、战斗操作预案与作战计划等方面的需求要求有源相控阵天线向电大尺寸以宽带工作的方向发展(电尺寸为天线物理尺寸相对于工作频率波长的尺寸)以提高雷达分辨力、威力等系统性能。虽然随着科技发展和工艺进步，相控阵雷达的造价虽然有了大幅度的下降，但仍令人望而生畏，庞大的设备及其用电量是一个影响相控阵应用的重要因素。如何在不影响阵列天线方向图性能的前提下使有源通道稀疏化成为了需要解决的难题。
在目前使用较多的相控阵雷达系统中，天线阵常采用平面阵的形式(方形阵、矩形阵、圆形阵等)，常用的有源通道稀疏化的方法有：有限视场扫描、稀疏阵、不规则子阵等。
有限视场扫描是通过牺牲天线阵的扫描能力来增大天线单元间的间距以达到稀疏有源通道的目的，此方法应用范围窄且有源通道稀疏化比例有限。
稀疏阵则是通过将天线单元进行一定比例稀疏化后在天线阵面中按照一定的排列方式进行排列，此方法可大比例稀疏天线单元和有源通道数，并且有效抑制扫描栅瓣，但是稀疏阵根据不同的系统需要有不同的设计方法，设计方法难度大，且稀疏后的天线阵形状各异难以加工、装配、定位。
运用不规则子阵打破子阵排布周期性也可实现稀疏有源通道，抑制扫描栅瓣，但是不规则子阵组成难度大，对于大阵列设计时，无法通过人工手动拼接完成组阵，工程上亦不好实现。
发明内容
为了解决有源相控阵天线因减少有源组件带来的天线方向图扫描栅瓣的问题，提高有源相控阵雷达系统性能，本发明提出了一种基于模块化的8单元L形子阵应用方法及其应用装置。
本发明的解决方案是：一种基于模块化的8单元L形子阵的应用方法，
步骤一、选择8个8单元L形子阵，这8个8单元L形子阵能利用拼接方法实现不同内部拼接结构但外形轮廓相同的8*8的正方形模块；
步骤二、重复步骤一形成多个8*8的正方形模块；
步骤三、从所述多个8*8的正方形模块中选择出L形子阵随机分布的20种8*8的正方形模块作为模块可选集合；
步骤四、在所述模块可选集合中，以随机选取的方式选择多个8*8的正方形模块拼接成目标天线阵；
步骤五、根据阵列天线远场方向图叠加原理，计算目标天线阵方向图评估组阵方式，如果目标天线阵方向图的性能符合指标要求则拼接结束，否则返回步骤四重新选择一种拼接方式直到重新拼接后的目标天线阵满足指标要求。
作为上述方案的进一步改进，所述8单元L形子阵为结构非对称的8单元L形子阵，能通过反转和镜像得到八种变形的8单元L形子阵。
作为上述方案的进一步改进，在单一正方形模块中，同一个8单元L形子阵能重复使用。
作为上述方案的进一步改进，以随机选取的方式将多个正方形模块按相控阵雷达系统的要求拼接成目标天线阵。
本发明还提供一种基于模块化的8单元L形子阵的应用装置，其包括：
选择单元，其用于选择8个8单元L形子阵，这8个8单元L形子阵能利用拼接方法实现不同内部拼接结构但外形轮廓相同的8*8的正方形模块；
正方形模块形成单元，其用于根据选择单元的多次选择分别形成多个8*8的正方形模块；
模块可选集合形成单元，其用于从所述多个8*8的正方形模块中选择出L形子阵随机分布的20种8*8的正方形模块作为模块可选集合；
目标天线阵形成单元，其用于在所述模块可选集合中，以随机选取的方式选择多个8*8的正方形模块拼接成目标天线阵；
计算单元，其用于根据阵列天线远场方向图叠加原理，计算目标天线阵方向图评估组阵方式；
判断单元，其用于在目标天线阵方向图的性能符合指标要求时拼接结束，否则启动所述目标天线阵形成单元重新选择一种拼接方式直到重新拼接后的目标天线阵满足指标要求。
作为上述方案的进一步改进，所述8单元L形子阵为结构非对称的8单元L形子阵，能通过反转和镜像得到八种变形的8单元L形子阵。
作为上述方案的进一步改进，在单一正方形模块中，同一个8单元L形子阵能重复使用。
作为上述方案的进一步改进，以随机选取的方式将多个正方形模块按相控阵雷达系统的要求拼接成目标天线阵。
作为上述方案的进一步改进，目标天线阵为12*20的天线阵，每个正方形模块共有8*8个天线单元，为15个正方形模块拼接成。
作为上述方案的进一步改进，目标天线阵为16*16的天线阵，每个正方形模块共有4*4个天线单元，为16个正方形模块拼接成。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、8单元L形子阵组成的正方形模块边界规则，模块间契合度好，便于安装组成各种平面阵，工程可实现程度高；
2、以正方形模块作为拼接的基本单元便于组成各种形式的平面阵，阵面形式不单一，应用范围广；
3、与传统相控阵相比，运用此方法拼接组成的相控阵有源通道数为满阵的八分之一，有源通道稀疏化程度高，可有效节约系统成本，提高雷达系统分辨力。
附图说明
图1为本发明实施例的基于模块化的8单元L形子阵的应用方法流程图。
图2为8单元L形子阵及天线单元编号示意图。
图3为20种8单元L形组成8*8正方形天线模块示意图。
图4为由正方形子阵模块拼接成的矩形阵。
图5为矩形阵方位向切面视角方向图。
图6为矩形阵俯仰向切面视角方向图。
图7为由正方形子阵模块拼接成的方形阵。
图8为方形阵方位向切面视角方向图。
图9为方形阵俯仰向切面视角方向图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种基于模块化的8单元L形子阵应用方法及其应用装置，利用合适的拼接方法可以实现200多种不同的8*8的正方形模块，正方形的天线模块易加工，方便安装，大大降低了工程实现难度。从这200多种8*8的正方形模块中选择出L形子阵分布较为随机的20种模块作为模块可选集合。在可选集合中随机选择8*8正方形模块拼接成目标天线阵，组阵后天线阵中各子阵排列随机，各天线单元辐射电场在观测方向外的空间同向叠加削弱，实现了削弱由有源馈电组件稀疏化引起的方向图栅瓣。
本发明的基于模块化的8单元L形子阵的应用方法可转化成对应的基于模块化的8单元L形子阵的应用装置，所述应用装置包括选择单元、正方形模块形成单元、模块可选集合形成单元、目标天线阵形成单元、计算单元、判断单元。请参阅图1，本发明的基于模块化的8单元L形子阵的应用方法包括以下步骤。
步骤一、选择8个8单元L形子阵，这8个8单元L形子阵能利用拼接方法实现不同内部拼接结构但外形轮廓相同的8*8的正方形模块。步骤一可由选择单元执行。8单元L形子阵可为结构非对称的8单元L形子阵，能通过反转和镜像得到八种变形的8单元L形子阵。如图2所示，8单元L形子阵中天线单元编号顺序均固定为图2中的编号顺序，即固定子阵中各天线单元间的相对位置，L形子阵可以通过反转和镜像得到8种变形。
步骤二、重复步骤一形成多个8*8的正方形模块。在单一正方形模块中，同一个8单元L形子阵能重复使用。步骤二可由正方形模块形成单元执行。
步骤三、从所述多个8*8的正方形模块中选择出L形子阵随机分布的20种8*8的正方形模块作为模块可选集合。步骤三可由模块可选集合形成单元执行。参见图3，模块可选集合中收录20种拼接较为随机的组合。
步骤四、在所述模块可选集合中，以随机选取的方式选择多个8*8的正方形模块拼接成目标天线阵。以随机选取的方式将多个正方形模块按相控阵雷达系统的要求拼接成目标天线阵。步骤四可由目标天线阵形成单元执行。
步骤五、根据阵列天线远场方向图叠加原理，计算目标天线阵方向图评估组阵方式，如果目标天线阵方向图的性能符合指标要求则拼接结束，否则返回步骤四重新选择一种拼接方式直到重新拼接后的目标天线阵满足指标要求。步骤五可由计算单元和判断单元执行。计算单元用于根据阵列天线远场方向图叠加原理，计算目标天线阵方向图评估组阵方式；判断单元用于在目标天线阵方向图的性能符合指标要求时拼接结束，否则启动所述目标天线阵形成单元重新选择一种拼接方式直到重新拼接后的目标天线阵满足指标要求。
针对步骤四与步骤五，接下去以两个实施例为例进行举例说明。
实施例1
参见图4，从模块可选集合中以随机选取的方式将正方形模块拼接成一个12*20的天线阵。每个正方形模块共有8*8个天线单元，故需15个模块。计算阵列天线远场方向图以确定天线阵布阵方案。
参见图5～6，图中是矩形阵即天线阵在天线单元间距λ/2(二分之一工作波长)情况下两个主切面视角的方向图。理论上，子阵间的间距约等于1.4个波长，大于方向图扫描不出栅瓣的理论单元间距，方向图扫描后会出现栅瓣，而计算结果未见栅瓣，说明此方案可行。
实施例2
参见图7，与实施例1类似，利用模块可选集合中的正方形模块拼接成一个16*16的天线阵。每个正方形模块共有4*4个天线单元，故需16个模块。
参见图8～9，图中是矩形阵即天线阵在天线单元间距λ/2(二分之一工作波长)情况下两个主切面视角的方向图。理论上，子阵间的间距约等于1.4个波长，大于方向图扫描不出栅瓣的理论单元间距，方向图扫描后会出现栅瓣，而计算结果未见栅瓣，说明此方案可行。
综上所述，本发明提出的一种基于模块化的8单元L型子阵应用方法，选择8个8单元L型子阵，利用合适的拼接方法可以实现200多种不同的8*8的正方形模块，正方形的天线模块易加工，方便安装，大大降低了工程实现难度。从这200多种8*8的正方形模块中选择出L型子阵分布较为随机的20种模块作为模块可选集合。在可选集合中随机选择8*8正方形模块拼接成目标天线阵，天线阵中各子阵排列方式的随机性可大大改善传统规则子阵组阵的周期性，实现削弱由有源馈电组件移相残差引入的天线方向图量化瓣以及大单元间距布阵造成的扫描栅瓣。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如扩展矩形阵、方形阵的阵面规模，利用正方形模块拼接组合成其他形式的平面阵，改变天线单元间距，改变尺寸使天线阵面工作于其他频段等，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (10)

1.一种基于模块化的8单元L形子阵的应用方法，其特征在于：
步骤一、选择8个8单元L形子阵，这8个8单元L形子阵能利用拼接方法实现不同内部拼接结构但外形轮廓相同的8*8的正方形模块；
步骤二、重复步骤一形成多个8*8的正方形模块；
步骤三、从所述多个8*8的正方形模块中选择出L形子阵随机分布的20种8*8的正方形模块作为模块可选集合；
步骤四、在所述模块可选集合中，以随机选取的方式选择多个8*8的正方形模块拼接成目标天线阵；
步骤五、根据阵列天线远场方向图叠加原理，计算目标天线阵方向图评估组阵方式，如果目标天线阵方向图的性能符合指标要求则拼接结束，否则返回步骤四重新选择一种拼接方式直到重新拼接后的目标天线阵满足指标要求。
2.如权利要求1所述的基于模块化的8单元L形子阵的应用方法，其特征在于：所述8单元L形子阵为结构非对称的8单元L形子阵，能通过反转和镜像得到八种变形的8单元L形子阵。
3.如权利要求1所述的基于模块化的8单元L形子阵的应用方法，其特征在于：在单一正方形模块中，同一个8单元L形子阵能重复使用。
4.如权利要求1所述的基于模块化的8单元L形子阵的应用方法，其特征在于：以随机选取的方式将多个正方形模块按相控阵雷达系统的要求拼接成目标天线阵。
5.一种基于模块化的8单元L形子阵的应用装置，其特征在于：其包括：
选择单元，其用于选择8个8单元L形子阵，这8个8单元L形子阵能利用拼接方法实现不同内部拼接结构但外形轮廓相同的8*8的正方形模块；
正方形模块形成单元，其用于根据选择单元的多次选择分别形成多个8*8的正方形模块；
模块可选集合形成单元，其用于从所述多个8*8的正方形模块中选择出L形子阵随机分布的20种8*8的正方形模块作为模块可选集合；
目标天线阵形成单元，其用于在所述模块可选集合中，以随机选取的方式选择多个8*8的正方形模块拼接成目标天线阵；
计算单元，其用于根据阵列天线远场方向图叠加原理，计算目标天线阵方向图评估组阵方式；
判断单元，其用于在目标天线阵方向图的性能符合指标要求时拼接结束，否则启动所述目标天线阵形成单元重新选择一种拼接方式直到重新拼接后的目标天线阵满足指标要求。
6.如权利要求5所述的基于模块化的8单元L形子阵的应用装置，其特征在于：所述8单元L形子阵为结构非对称的8单元L形子阵，能通过反转和镜像得到八种变形的8单元L形子阵。
7.如权利要求5所述的基于模块化的8单元L形子阵的应用装置，其特征在于：在单一正方形模块中，同一个8单元L形子阵能重复使用。
8.如权利要求5所述的基于模块化的8单元L形子阵的应用装置，其特征在于：以随机选取的方式将多个正方形模块按相控阵雷达系统的要求拼接成目标天线阵。
9.如权利要求5所述的基于模块化的8单元L形子阵的应用装置，其特征在于：目标天线阵为12*20的天线阵，每个正方形模块共有8*8个天线单元，为15个正方形模块拼接成。
10.如权利要求5所述的基于模块化的8单元L形子阵的应用装置，其特征在于：目标天线阵为16*16的天线阵，每个正方形模块共有4*4个天线单元，为16个正方形模块拼接成。
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