CN106911010A - 一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线 - Google Patents

一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，天线的阵面按直角坐标系分为第一、第二、第三和第四象限，所述第一、第二、第三和第四象限这四个象限关于象限中心顺时针旋转对称，所述第一象限包括多个非周期性排布的子阵，位于同一行或同一列的子阵中心的连线为曲线，所述每个子阵内包括多个单元。本发明结合阵列非周期化原理构造出一个单元间距大于1个波长的阵列，基于模块化思想，以较少的天线单元和子阵数达到增益，副瓣，栅瓣抑制等要求，降低了天线系统的成本。有效减小子阵与子阵之间的间隙，同时保证子阵与子阵之间的非周期排列，有效地抑制了栅瓣电平，不需要子阵旋转，不会增加交叉极化电平，副瓣电平也不会恶化太多。

Description

一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线
技术领域
本发明涉及一种相控阵天线的结构，尤其涉及的是一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线。
背景技术
相控阵天线通常在水平和垂直两个方向上排列相同的天线单元组成面阵，以实现二维波束扫描。通过对每个辐射天线的振幅和相位激励进行独立控制，以便形成低副瓣和任意指向。对天线单元进行排布时，如果单元间距大于一个波长会在方向图中形成不必要的栅瓣，太小则会使阵列单元的互耦变大，影响天线性能，并在同样的阵列口径下增加单元数。
为了降低成本，通常希望在同样的阵面口径下，尽可能的减少单元数和收发组件的数量。采用单元间距大于一个波长的阵列天线是一种可行的办法。这种阵列可以大大减少单元数目，但按照规则排列时，就会出现栅瓣。栅瓣的存在会对天线增益和系统指标产生很大影响，因此如何抑制大间距阵列天线的栅瓣就成为一个重要的研究方向。
目前国内外许多专家学者对这方面进行了大量研究。研究方法主要是设计各种阵面排布方法打乱阵列的周期性，使栅瓣的能量分散开，达到抑制栅瓣的目的。一类方法是单元级非周期化排列，这种方法使得天线单元间距在0.5个波长到1个波长以内随机变化，可使得±45°扫描范围内，不出现栅瓣。但这种方法不利于收发组件模块和天线单元一体化设计。当收发组件和天线单元连接时，收发组件只能做成单个的和天线连接，或者做成模块化通过电缆或其它方式连接。如果收发组件做成单个的将极大地增加组件及后端的网络设计复杂度，不利于工程化设计。如果收发组件做成1×8，2×2，4×4的模块形式，组件到天线的传输线损耗就不可避免。另一类方法是采用子阵级非周期化。例如GBR雷达阵列，将阵面分成8个超级子阵，每个子阵做一定角度的旋转，并采用高增益天线单元，可实现-12dB的栅瓣。这种阵面旋转的方法对于大型阵列，旋转角度非常小即可达到抑制栅瓣的目的，但对于中小型阵列，旋转角度稍大才能达到抑制栅瓣的目的。当旋转角太大时就会增大天线的交叉极化，同时导致子阵与子阵之间的间隙较大而影响副瓣。国内朱瑞平等人提出采用圆环栅格结构及子阵插箱结构来抑制栅瓣，但是子阵种类较多，为了便于和后端收发组件连接，组件模块也需要做成多种规格。王欣等人提出从中间到边缘渐稀的子阵排布方法抑制栅瓣，但中间子阵和边缘子阵的单元间距不同，仍需要设计对应的两种规格的收发组件模块。还有近年来许多学者提出采用不同的优化算法给出非周期子阵的位置排列，但还没有见到完整的报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，兼顾栅瓣抑制和副瓣加权，简化设计。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述天线的阵面按直角坐标系分为第一、第二、第三和第四象限，所述第一、第二、第三和第四象限这四个象限关于象限中心顺时针旋转对称，所述第一象限包括多个非周期性排布的子阵，位于同一行或同一列的子阵中心的连线为曲线，所述每个子阵内包括多个单元。
所述每个子阵内有多个按矩形栅格均匀排列的单元，单元之间的间距大于一个波长。
所述第一象限内每行的子阵数目沿Y轴向象限中心增加，所述第一象限内每列的子阵数目沿X轴向象限中心增加。能够使得整个阵列的边缘近似为圆形。
所述第一象限内有20个子阵，按照沿Y轴到象限中心的顺序排布为五行，每行沿象限中心到X轴的顺序依次有两个、四个、四个、五个、五个子阵；靠近象限中心的四个子阵中心连线构成第一正方形；位于X轴和Y轴端部的四个子阵中心连线分别构成第三和第二正方形；位于第一正方形外端的四个子阵中心分别位于第一正方形各个边的延长线上；剩余四个子阵的中心构成四边形，其中，靠近X轴的一个子阵中心在可与另外三个子阵中心构成正方形的位置上沿X轴平移大于一个波长的距离。
所述第一正方形的底边与X轴的夹角为θ2，所述第二正方形的底边与X轴的夹角为θ1，其中，θ2大于θ1。
所述四边形中靠近X轴的子阵中心沿X轴平移的距离为1.2倍波长。
所述第二正方形和第三正方形的倾斜角度、边长都相同。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明结合阵列非周期化原理构造出一个单元间距大于1个波长的阵列，基于模块化思想，以较少的天线单元和子阵数达到增益，副瓣，栅瓣抑制等要求，降低了天线系统的成本；
本发明将位于同一列或同一行的子阵中心沿垂直方向或水平方向呈曲线的形式排列，这样可以有效减小子阵与子阵之间的间隙，同时保证子阵与子阵之间的非周期排列，有效地抑制了栅瓣电平，对于中小型阵列，这种排列方式不需要子阵旋转，不会增加交叉极化电平，副瓣电平也不会恶化太多；
本发明将整个阵列按象限分为4个部分，其它象限与第1象限的排布旋转对称，在设计时只需设计一个象限即可，降低了设计难度。同时兼顾了阵列和差方向图的形成，可得到良好的和差性能；
本发明的子阵只有一种，每个子阵内部包含16个单元，16个单元按照矩形栅格均匀排列，非常便于和天线后端的收发组件模块连接，组件模块可以做成2×2或4×4等规格，简化了组件模块的设计复杂度。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是第一象限子阵排布示意图；
图3是阵因子和单元因子水平面方向图；
图4是阵因子和单元因子垂直面方向图；
图5是阵列水平面方向图；
图6是阵列垂直面方向图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，本实施例天线的阵面按直角坐标系分为第一、第二、第三和第四象限，所述第一、第二、第三和第四象限这四个象限关于象限中心顺时针旋转对称，以形成和差波束，所述第一象限A包括20个非周期性排布的子阵a，位于同一行或同一列的子阵a中心的连线为曲线，所述每个子阵a内包括16个单元。整个阵列共有80(4*20)个子阵a，1280(4*20*16)个单元。
本实施例的总单元数为1280，子阵a数为80，栅瓣在±10°范围内小于-20dB。
所述每个子阵a内有16个按矩形栅格均匀排列的单元，单元间距为1.2λ0*1.2λ0，λ0为工作频率对应的波长。
所述第一象限A内每行的子阵a数目沿Y轴向象限中心增加，所述第一象限A内每列的子阵a数目沿X轴向象限中心增加。能够使得整个阵列的边缘近似为圆形。
所述第一象限A内有20个子阵a，按照沿Y轴到象限中心的顺序排布为五行，每行沿象限中心到X轴的顺序依次有两个、四个、四个、五个、五个子阵a；这四个依次为第二子阵2和第四子阵4，第一子阵1、第三子阵3、第六子阵6和第十子阵10，第十五子阵15、第十八子阵18、第五子阵5和第九子阵9，第十四子阵14、第十七子阵17、第二十子阵20、第八子阵8和第十二子阵12，第十三子阵13、第十六子阵16、第十九子阵19、第七子阵7和第十一子阵11；所述第一子阵1、第二子阵2、第四子阵4、第三子阵3的中心连线构成第二正方形；所述第十三子阵13、第十四子阵14、第十七子阵17、第十六子阵16的中心连线构成第一正方形，所述第十五子阵15、第十八子阵18、第二十子阵20和第十九子阵19分别位于第一正方形的各边延长线上，并且第十五子阵15与第十四子阵14的中心连线的距离、第十八子阵18与第十七子阵17的中心连线的距离、第二十子阵20与第十七子阵17的中心连线的距离、第十九子阵19与第十六子阵16的中心连线的距离相等且于第一正方形的边长相同；所述第七子阵7、第八子阵8、第十二子阵12、第十一子阵11的中心连线为第三正方形；所述第五子阵5、第六子阵6、第十子阵10和第九子阵9构成的四边形中，第九子阵9的中心在可与第五子阵5、第六子阵6和第十子阵10构成正方形的位置上沿X轴平移1.2λ0的距离。
所述第一正方形的底边与X轴的夹角为θ2，所述第二正方形的底边与X轴的夹角为θ1，其中，θ2大于θ1，本实施例中，θ2为20°，θ1为10°。第二正方形和第三正方形的倾斜角度、边长都相同。
这样的排布可以打乱其周期性，同时兼顾子阵边缘不发生重叠。图2中方框代表子阵边缘，小圈代表各个子阵的中心位置，数字为各个子阵的编号。
按照这种方式对排布后，各个子阵在保证不互相重叠的情形下尽可能的密集。第一子阵1～第二十子阵20的中心位置坐标相对于λ0的归一化值如下表所示。其余象限的子阵位置可由第一象限A中的子阵对称得到。
表1第一象限A中子阵中心点坐标值
子阵编号 子阵中心点坐标归一值 子阵编号 子阵中心点坐标归一值
1 (2.64，17.65) 11 (22.27，2.41)
2 (2.94，22.45) 12 (22.75，7.22)
3 (7.45，17.16) 13 (2.93，2.47)
4 (7.93，21.97) 14 (2.68，7.30)
5 (13.01，12.87) 15 (2.44，12.12)
6 (12.95，17.84) 16 (7.75，2.71)
7 (17.46，2.89) 17 (7.51，7.54)
8 (17.94，7.70) 18 (7.27，12.36)
9 (18.42，12.51) 19 (12.58，2.95)
10 (17.84，17.32) 20 (12.34，7.78)
由于子阵内单元间距大于1个波长，采用常规的相控阵单元会大大降低阵面效率，并且不利于抑制阵列栅瓣。这里可以采用2×2的波导裂缝阵为辐射单元或2×2的微带贴片阵加1分4功分器制成辐射单元。典型的辐射单元在水平面和垂直面的方向图如图3和图4所示。单元方向图分别在两个主面形成两个零点，可有效抑制阵面栅瓣，具有较高的口面效率。
如图3～图6所示，分别给出单元因子，阵因子和阵列在水平面和垂直面的方向图。从图中可以看出，阵因子采用副瓣-25dB的泰勒圆口径加权后，副瓣达-23dB，栅瓣小于-9.5dB。由于单元因子的调制，阵列方向图的栅瓣被进一步抑制，当阵列不扫描时，栅瓣消失，在±10°扫描时，栅瓣小于-20dB。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，其特征在于，所述天线的阵面按直角坐标系分为第一、第二、第三和第四象限，所述第一、第二、第三和第四象限这四个象限关于象限中心顺时针旋转对称，所述第一象限包括多个非周期性排布的子阵，位于同一行或同一列的子阵中心的连线为曲线，所述每个子阵内包括多个单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，其特征在于，所述每个子阵内有多个按矩形栅格均匀排列的单元，单元之间的间距大于一个波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，其特征在于，所述第一象限内每行的子阵数目沿Y轴向象限中心增加，所述第一象限内每列的子阵数目沿X轴向象限中心增加。
4.根据权利要求1所述的一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，其特征在于，所述第一象限内有20个子阵，按照沿Y轴到象限中心的顺序排布为五行，每行沿象限中心到X轴的顺序依次有两个、四个、四个、五个、五个子阵；靠近象限中心的四个子阵中心连线构成第一正方形；位于X轴和Y轴端部的四个子阵中心连线分别构成第三和第二正方形；位于第一正方形外端的四个子阵中心分别位于第一正方形各个边的延长线上；剩余四个子阵的中心构成四边形，其中，靠近X轴的一个子阵中心在可与另外三个子阵中心构成正方形的位置上沿X轴平移大于一个波长的距离。
5.根据权利要求4所述的一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，其特征在于，所述第一正方形的底边与X轴的夹角为θ2，所述第二正方形的底边与X轴的夹角为θ1，其中，θ2大于θ1。
6.根据权利要求4所述的一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，其特征在于，所述四边形中靠近X轴的子阵中心沿X轴平移的距离为1.2倍波长。
7.根据权利要求4所述的一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线，其特征在于，所述第二正方形和第三正方形的倾斜角度、边长都相同。
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