CN106886619A - 相控阵天线阵面综合实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相控阵天线阵面综合实现方法，包括以下步骤：步骤一，建立子阵级仿真模型，并考虑互耦效应计算作为子阵的待考核单元的辐射单元的阵中方向图；步骤二，将对天线方向图产生影响的参数作为设计变量，建立二维阵列优化综合模型和基于非线性最小二法的数学模型；以及步骤三，采用软件自带函数对数学模型进行求解，并通过优化综合对参数进行优化。因此，采用本发明的方法，可以对复杂的二维阵列进行优化综合，仿真优化结果适用于不同切面，并且优化综合使用算法简单，经多次计算可以获得全局最优解。

Description

相控阵天线阵面综合实现方法

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种相控阵天线阵面综合实现方法。

背景技术

相控阵天线具有波束扫描快捷、波束形状可变、无活动部件、对卫星姿态无影响、抗干扰能力强等特点。由于相控阵天线本身的特点，给其应用带来诸多限制，例如扫描角度较小、副瓣较高、互耦效应大等问题。

相控阵天线的辐射单元端口的反射系数S₁₁定义为S₁₁＝b/a，其中，a是端口输入功率，b是反射回端口的功率，但是在多端口阵列中，端口的反射系数不仅仅是受本端口输出输入功率比的制约，还需要考虑到其他端口的输出的功率到达该端口的功率。如图1所示，给出了阵列天线信号激励与反射的示意图。

由于相控阵天线的辐射单元性能受到周围天线的影响，从而使其端口反射系数和辐射方向图都发生改变。辐射单元的阻抗会随波束扫描角θ而变化，天线与自由空间不匹配会在某些扫描角产生大的功率反射，导致方向图性能恶化。这种变化是主要由于各辐射单元的能量耦合引起的，当单元间距小到一定程度，如一个波长以内，其大小不可忽视。

近年来随着相控阵天线技术的不断发展，相控阵天线技术开始应用于宇航领域中，主要用于建立测距与通信链路。为保证相控阵天线对来自非目标区域的干扰信号具有抑制能力，必须有效地降低天线的副瓣电平。

在现有技术中，目前常用的低副瓣优化综合方法，比较有代表性的是Schelkunoff单位圆法和Dolph-Chebyshev法等，然而，这些方法存在以下缺点：

1)只对阵列因子进行优化综合，不考虑单元互耦影响。对于一个有限口径的阵列，阵元之间的互耦影响使得每个阵元的方向图与其所处的位置有关，如不考虑互耦影响，则优化得到的结果与实际的天线方向图存在差异；

2)在进行一维线性阵列天线方向图综合时可以获得较好的结果，对于结构复杂的二维阵列，由于影响阵列天线方向图特性的系统参数较多，大量优化变量已经超出了算法的承受能力，而且阵列方向图函数及其约束条件呈现多参数、非线性、不连续等特性，很难得到全局最优解；

3)通常的优化对象只包括阵元激励幅度，无法对阵元间距、阵列布局等参数进行优化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种相控阵天线阵面综合实现方案，通过建立子阵级仿真模型，根据仿真模型判断互耦效应对单元有源驻波的影响并计算考虑互耦效应的辐射单元阵中方向图，通过建立二维阵列优化综合模型和基于非线性最小二法的数学模型，将阵元间距，阵列布局等对天线方向图产生影响的参数也纳入设计变量中，进而通过优化综合对此类参数进行优化。

本发明提供了一种相控阵天线阵面综合实现方法，包括以下步骤：步骤一，建立子阵级仿真模型，并考虑互耦效应计算作为子阵的待考核单元的辐射单元的阵中方向图；步骤二，将对天线方向图产生影响的参数作为设计变量，建立二维阵列优化综合模型和基于非线性最小二法的数学模型；以及步骤三，采用软件自带函数对数学模型进行求解，并通过优化综合对参数进行优化。

在本发明中，子阵级仿真模型为：将子阵的中心单元作为待考核单元，并在其周围按是奇阵列构型分布多圈单元，其中，各个单元之间的间距和布局与实际阵列结构一致。

步骤一包括：采用电磁仿真软件，构建子阵级仿真模型，以计算辐射单元的阵中方向图和反射系数；根据子阵级仿真模型，判断互耦效应对辐射单元的有源驻波的影响；以及考虑到子阵中的其他单元对辐射单元的互耦效应，获得辐射单元的阵中方向图。

具体地，在步骤一中执行：对子阵中的所有单元进行馈电，通过改变各个单元的激励相位，使子阵的方向图的波束指向在波束覆盖范围内的多个典型波位，从而计算每个波位下带考核单元的反射系数；将子阵中除了待考核单元外的其他单元置于不加激励的端口匹配状态并对待考核单元单独馈电；以及考虑到子阵中的其他单元对待考核单元的互耦效应，通过仿真计算得到待考核单元的阵中方向图，其中，反射系数随波束指向而变化，从而表示子阵中的其他单元对待考核单元产生的影响。

对天线方向图产生影响的参数至少包括：单元的激励幅度、单元间距、和单元栅格位置。步骤二包括：将对天线方向图产生影响的参数作为设计变量；根据要求指标，建立优化综合的目标方向图；在优化综合的目标方向图的方位面上，取多个切面参加优化计算并设计包含不同切面的优化综合目标函数；以及考虑到设计变量待满足的边界约束条件，建立基于非线性最小二法的数学模型。

另外，要求指标至少包括：要求的方向图波瓣宽度、副瓣电平。

在本发明中，软件自带函数为Matlab自带的非线性最小二乘解函数。

相应地，在步骤三中执行：采用Matlab自带的非线性最小二乘解函数，经过有限次迭代趋向最优解，求得基于非线性最小二法的数学模型的最优解，此时作为运算返回值的残差很小。

因此，采用本发明，与现有技术相比可以实现以下有益效果：

1)通过对子阵仿真模型进行仿真计算，可以根据计算结果判断互耦效应对单元有源驻波的影响，确定阵列设计是否满足使用要求，并通过仿真计算获得考虑互耦效应的单元阵中方向图；

2)阵列优化综合模型工程性强，可以对复杂的二维阵列进行优化综合，将阵元激励幅度、阵元间距，阵列布局等影响天线方向图的因素均纳入优化范围，并且仿真优化结果适用于不同切面；

3)优化综合使用算法简单，可直接调用Matlab自带的非线性最小二乘解函数求解，经多次计算可以获得全局最优解。

附图说明

图1是阵列天线信号激励与反射(即，阵列互耦影响或效应)的示意图；

图2是本发明所涉及的子阵布局的示意图；以及

图3是本发明所涉及的典型二维阵列的示意图。

具体实施方式

应了解，本发明的相控阵天线阵面综合实现方法，可解决以下技术问题：

1)建立子阵级仿真模型，子阵中心单元e为待考核单元，其周围按实际阵列构型分布多圈单元，其中，通过仿真计算获得互耦效应对待考核单元e有源驻波的影响，同时获得待考核单元e的阵中方向图，阵中方向图已考虑到阵中其他单元对其互耦影响；

2)建立二维阵列优化综合模型，将对天线方向图产生影响的参数作为设计变量，包括阵元激励幅度、阵元间距，阵列布局等因素，根据使用需求设定理想方向图函数作为优化目标，在方位面取若干切面参加优化计算，设计包含不同切面的优化综合目标函数，建立基于非线性最小二法的数学模型，通过多次运算求得全局最优解。

因此，在本发明的相控阵天线阵面综合实现方法中，首先，建立子阵级仿真模型，用于计算考虑互耦效应的辐射单元阵中方向图，然后，建立二维阵列优化综合模型和基于非线性最小二法的数学模型，采用Matlab自带的非线性最小二乘解函数求解该问题，最后，将阵元间距，阵列布局等对天线方向图产生影响的参数也纳入设计变量中，通过优化综合对此类参数进行优化。

为了模拟列阵中单元实际工作状态，考虑单元互耦的影响，采用电磁仿真软件构建子阵级仿真模型，用于计算阵列中辐射单元的阵中方向图和反射系数。子阵中心单元e为待考核单元，其周围分布三圈单元(三圈以外阵元影响较小，可忽略)，单元间距和布局与实际阵列结构一致。

首先，子阵中所有单元进行馈电，通过改变各单元的激励相位，使子阵方向图的波束指向波束覆盖范围内若干典型波位，计算每个波位下单元e的反射系数。反射系数随指向变化，表明阵中其它阵元对单元e产生影响。将子阵中除单元e外其它单元置为端口匹配状态(不加激励)，对单元e单独馈电，通过仿真计算得到单元e的阵中方向图，此方向图已考虑到阵中其他单元对其互耦影响。

根据阵列天线原理，天线的远区辐射场可以表示为阵因子与单元方向图的乘积。在二维阵列天线中，把单元的激励幅度、单元间距、单元栅格位置作为设计变量。根据要求的方向图波瓣宽度等指标，建立优化综合的目标方向图。在方位面取若干切面参加优化计算，设计包含不同切面的优化综合目标函数。考虑到设计中变量应满足的上、下界约束条件，建立非线性最小二乘设计的数学模型。

采用Matlab自带的非线性最小二乘解函数求解该问题。经过有限次迭代后，x趋向最优解，此时可求得非线性最小二乘问题的最优解，运算的返回值即残差很小。在优化过程中为了避免求解陷入局部极小值，采用满足约束条件的若干个不同初始向量X⁽⁰⁾进行多次搜索，选择各个计算结果中的最优值。从而克服了非线性最小二乘法局域收敛的缺点。

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

采用电磁仿真软件(例如，Ansoft HFSS)构建一个37元子阵仿真模型，以待考核单元为中心，周围分布三圈单元，单元间距和布局与实际阵列结构一致，子阵布局示意图如图2所示。子阵中所有单元进行馈电，通过改变各单元的激励相位，使子阵方向图的波束指向波束覆盖范围内若干典型波位，计算每个波位下单元e的反射系数。反射系数随指向变化，表明阵中其它阵元对单元e产生影响。将子阵中除单元e外其它单元置为端口匹配状态(不加激励)，对单元e单独馈电，通过仿真计算得到单元e的阵中方向图。

天线的远区辐射场可以表示为阵因子与单元方向图的乘积。假设是天线单元方向图，则天线阵在远区观察点的方向图可表示为：

a_m，n是第m，n个单元的复加权；ψ_m，n是第m，n个单元的阵因子函数，即第m，n个单元相对于阵列中心的“空间相位差”；b₁为阵列中x方向单元间距，b₂为阵列中y方向单元间距；(m-t_1m)为第m，n个单元x方向阵中栅格位置，(n-t_2n)为第m，n个单元y方向阵中栅格位置。

x由影响天线辐射特性的各个参量组成：

x＝(a_1，1～a_M，N，t₁₁～t_1M，t₂₁～t_2N，b₁，b₂)T(3)

研究如图3所示的二维阵列天线。把单元的激励幅度、单元间距、单元栅格位置作为设计变量。

理想方向图用A(θ)＝cosⁿθ表示，根据要求的方向图波瓣宽度确定n的取值，该函数不随角变化。

为简单起见，把θ∈[-π/2，π/2]，离散化，取M₁×M₂个均匀离散点θ_i∈[-π/2，π/2]和

i＝1，2，…，M₁ j＝1，2，…，M₂

因此，非线性最小二乘问题的目标函数为：

考虑到设计中变量应满足的上、下界约束条件，非线性最小二乘设计的数学模型可表示为：

采用Matlab自带的非线性最小二乘解函数求解该问题。经过有限次迭代后，x趋向最优解，此时可求得非线性最小二乘问题的最优解，运算的返回值即残差很小。在优化过程中为了避免求解陷入局部极小值，采用满足约束条件的若干个不同初始向量X⁽⁰⁾进行多次搜索，选择各个计算结果中的最优值，从而克服了非线性最小二乘法局域收敛的缺点。

注意，本发明的方法已成功应用于相控阵天线的阵面优化综合中。经电性件、鉴定件和正样件多套产品的测试验证，该方法优化效果良好。

具体地，仿真结果为：法向副瓣电平优于-25dB，不同波束指向副瓣电平优于-20dB，以及电性能测试结果为：法向副瓣电平优于-24dB，不同波束指向副瓣电平优于-20dB。

综上所述，采用本发明的方法，可以对复杂的二维阵列进行优化综合，仿真优化结果适用于不同切面，并且优化综合使用算法简单，经多次计算可以获得全局最优解。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (9)

1.一种相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立子阵级仿真模型，并考虑互耦效应计算作为子阵的待考核单元的辐射单元的阵中方向图；

步骤二，将对天线方向图产生影响的参数作为设计变量，建立二维阵列优化综合模型和基于非线性最小二法的数学模型；以及

步骤三，采用软件自带函数对所述数学模型进行求解，并通过优化综合对所述参数进行优化。

2.根据权利要求1所述的相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，所述子阵级仿真模型为：将所述子阵的中心单元作为所述待考核单元，并在其周围按是奇阵列构型分布多圈单元，

其中，各个单元之间的间距和布局与实际阵列结构一致。

3.根据权利要求2所述的相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，所述步骤一包括：

采用电磁仿真软件，构建所述子阵级仿真模型，以计算所述辐射单元的阵中方向图和反射系数；

根据所述子阵级仿真模型，判断所述互耦效应对所述辐射单元的有源驻波的影响；以及

考虑到所述子阵中的其他单元对所述辐射单元的互耦效应，获得所述辐射单元的所述阵中方向图。

4.根据权利要求2所述的相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，在所述步骤一中执行：

对所述子阵中的所有单元进行馈电，通过改变各个单元的激励相位，使所述子阵的方向图的波束指向在波束覆盖范围内的多个典型波位，从而计算每个波位下所述带考核单元的反射系数；

将所述子阵中除了所述待考核单元外的其他单元置于不加激励的端口匹配状态并对所述待考核单元单独馈电；以及

考虑到所述子阵中的其他单元对所述待考核单元的互耦效应，通过仿真计算得到所述待考核单元的所述阵中方向图，

其中，所述反射系数随所述波束指向而变化，从而表示所述子阵中的其他单元对所述待考核单元产生的影响。

5.根据权利要求1所述的相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，所述对天线方向图产生影响的参数至少包括：单元的激励幅度、单元间距、和单元栅格位置。

6.根据权利要求5所述的相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，所述步骤二包括：

将所述对天线方向图产生影响的参数作为所述设计变量；

根据要求指标，建立优化综合的目标方向图；

在所述优化综合的目标方向图的方位面上，取多个切面参加优化计算并设计包含不同切面的优化综合目标函数；以及

考虑到所述设计变量待满足的边界约束条件，建立所述基于非线性最小二法的数学模型。

7.根据权利要求6所述的相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，所述要求指标至少包括：要求的方向图波瓣宽度和副瓣电平。

8.根据权利要求1所述的相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，所述软件自带函数为Matlab自带的非线性最小二乘解函数。

9.根据权利要求8所述的相控阵天线阵面综合实现方法，其特征在于，在所述步骤三中执行：

采用所述Matlab自带的非线性最小二乘解函数，经过有限次迭代趋向最优解，求得所述基于非线性最小二法的数学模型最优解，此时作为运算返回值的残差很小。