CN106935985A - 一种平面阵列天线及其阵列方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种平面阵列天线及其阵列方法，天线包括四个阵列模块，每个阵列模块由多个电线单元阵列组合而成，所述四个阵列模块分别位于直角坐标系的四个象限内；在同一象限内：各相邻两排天线单元之间沿横向偏移一段距离，各相邻两列天线单元之间沿纵向偏移一段距离，使同一象限内的所有天线单元呈平行四边形阵列设置；相邻两象限内的阵列模块关于该相邻两象限之间的坐标轴对称设置。四个象限内各个模块对称，减小了工程实现难度。仅对天线阵中的天线单元做平移操作，天线单元未发生旋转，保持天线单元原有的极化特性，有利于天线极化合成。

Description

一种平面阵列天线及其阵列方法

技术领域

本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种平面阵列天线及其阵列方法，本发明可用于有源相控阵雷达系统。

背景技术

随着有源相控阵雷达技术的飞速发展，大威力、高分辨力等系统要求引导着有源相控阵天线向电大尺寸方向飞速发展(电尺寸为天线物理尺寸相对于工作频率波长的尺寸)。有源相控阵天线通过有源组件(如：延时放大组件、T/R组件)改变天线单元的馈电相位实现天线阵波束扫描。天线阵规模不断扩大，天线通道数不断增多，致使有源组件数量也不断增多。由于有源组件价格不菲，导致有源相控阵天线阵成本成倍提高，工程代价太高。为解决有源相控阵天线阵有源组件数量巨大、成本过高的问题，通常可以采用增大天线单元间距、由几个天线单元组成天线子阵模块共用一组有源组件的方式或者牺牲天线阵一个方向的扫描能力以达到减少有源组件数量的目的。

在目前使用较多的相控阵雷达系统中，常规有源相控阵平面阵列天线(平面阵列天线以下简称平面阵)中的天线单元常采用矩形栅格排布或方形栅格排布。由阵列天线原理可知增大天线单元间距会导致天线阵扫描时出现扫描栅瓣，栅瓣不仅会影响天线阵的增益，降低了雷达系统的威力，而且在雷达进行探测时会引入与目标不相关的信号，影响系统工作；由几个天线组成天线子阵模块共用一组有源组件的方式要求共用有源组件的天线单元整体加工成一个子阵模块，由于工程需要，天线子阵模块常为规则形状以方便安装，如矩形、正方形，这种子阵模块共用一组有源组件的方法等效于增大天线单元间距，天线阵方向图依然会出现栅瓣。牺牲天线阵一个方向的扫描能力来减少有源组件数量的方法则限制了雷达系统的应用范围。

已经有很多学者做了解决有源组件减少后天线阵方向图出现栅瓣的相关研究，如：天线单元错位摆放，天线模块内指定随机的相位中心，使用边界不对称的子阵模块如L型子阵等。这些方法在一定程度上能达到优化天线阵方向图的效果，天线单元错位摆放可以将本该出现在天线阵主平面上的栅瓣移动到其他平面上，但是栅瓣并未消除，干扰信号依然会进入雷达系统；天线子阵模块内指定随机的相位中心可以一定程度的削弱天线阵方向图栅瓣，但是由于常用天线子阵模块的边界较为规则，相位中心随机性不够高，因此，削弱栅瓣的能力有限；使用共用一组有源组件的边界不对称的子阵模块如L型子阵时，子阵的相位中心相对规则边界的相位中心随机性强，但是由于边界不规则，组阵难度大，尤其阵面较大时组阵方案很难实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面阵列天线及其阵列方法，解决大型有源相控阵天线减少有源组件数量导致天线单元间距增大从而出现扫描栅瓣的问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种平面阵列天线，包括四个阵列模块，每个阵列模块由多个电线单元阵列组合而成，所述四个阵列模块分别位于直角坐标系的四个象限内；在同一象限内：各相邻两排天线单元之间沿横向偏移一段距离，各相邻两列天线单元之间沿纵向偏移一段距离，使同一象限内的所有天线单元呈平行四边形阵列设置；相邻两象限内的阵列模块关于该相邻两象限之间的坐标轴对称设置。

第一象限内的阵列模块的各行与各列的偏移量均为正值，其他象限内的各阵列模块的偏移量由第一象内的阵列模块的偏移量对称得到。

一种所述平面阵列天线的阵列方法，包括如下步骤：

步骤1：将多个天线单元按矩形栅格或方形栅格排布成规则的二维平面阵；

步骤2：将所述二维平面阵划分成相同的四个阵列模块，即每个阵列模块落在直角坐标系的一个象限内；

步骤3：根据天线单元间距的大小选择第一象限模块内天线单元平移矢量；

步骤4：将所述平移矢量对称到其他象限内的阵列模块；

步骤5根据平面阵列天线远场方向图计算公式计算天线远场方向图，判断天线远场方向图是否满足系统要求，若满足则设计结束，若不满足则回到步骤3，重新调整天线单元平移矢量。

所述平移矢量是根据天线单元间距的大小计算得来，平移矢量由x方向平移量和y方向平移量进行矢量叠加得到。

第一象限x方向平移量与y方向平移量均为正值，其他象限内平移矢量由第一象限平移矢量对称得到。

本发明的技术效果在于：

通过将传统天线单元按规则栅格排布的二维平面阵划分成相同的四个模块，即每个模块落在直角坐标系的一个象限内，对每个模块中的天线单元进行矢量平移，使天线单元排布栅格形成平行四边形，如此天线单元馈电点相比矩形栅格或方形栅格能够均匀投影到扫描平面，最终可以达到削弱扫描栅瓣的目的。

将整个天线阵面划分为四个阵列模块分布在直角坐标系的四个象限，仅针对其中一个模块选择平移矢量，其他象限内模块的平移矢量为该平移矢量对称所得，减小了操作量。四个象限内各个模块对称，减小了工程实现难度。仅对天线阵中的天线单元做平移操作，天线单元未发生旋转，保持天线单元原有的极化特性，有利于天线极化合成。

附图说明

图1为本发明一种新型平面阵列天线设计方法流程图；

图2为24；24阵面示意图；

图3为示例阵面主切面法向波束方向图；

图4为示例阵面主切面扫描波束方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

参见图2，本发明以24X24的阵面为例对对发明的技术方案进行详细说明：在平面内按方形栅格排布的一个工作在某波段平面阵，天线x方向单元间距为2个波长，y方向条单元间距为2个波长，阵面由24乘24个天线单元组成的平面阵。将阵面划分为四个阵列模块1、2、3、4，对落在第一象限内的阵列模块1的天线单元5进行矢量平移。

参见图3，选择平移矢量(x，y)为第一象限内阵列模块1的天线单元5的平移矢量，其中x、y分别等于2/11波长，并对称到其他象限内阵列模块2、3、4得到整个阵面，即第二象限内阵列模块2的天线单元5的平移矢量为(-x，y)，第三象限内阵列模块3的天线单元5的平移量为(-x，-y)，第四象限内阵列模块4的天线单元5的平移矢量为(x，-y)。

由阵列天线原理可知，当天线单元间距大于出现扫描栅瓣的距离时，阵列天线扫描就会出现扫描栅瓣，而常规的平面阵采用矩形栅格(或方形栅格)形式时，天线单元最大单元间距出现在栅格的直角边上且天线单元无法在最大单元间距所在直线上投影出更多的点，因此无法避免出现扫描栅瓣。为解决这一问题，可将天线单元进行矢量平移使常规的矩形栅格(或方形栅格)变成平行四边形栅格，这样天线单元就能在常规平面阵最大单元间距所在直线上投影出更多的点，从而改善天线阵的扫描栅瓣。

在一些系统要求较为苛刻的情况下，很难做到一次平移天线阵远场方向图就能满足系统要求，通过调整平移矢量改善天线单元间的投影间距，如此迭代可不断的改善天线阵远场方向图扫描栅瓣以满足系统要求。

参见图4，计算天线阵远场方向图，由阵列天线原理，此时天线单元间距大于一个，若天线单元按常规栅格规则分布，则天线阵扫描时会出现扫描栅瓣，而从图4中可见，示例阵面主切面扫描时无扫描栅瓣出现，说明天线单元平移操作优化了天线阵性能，取得了很好的效果。

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 (5)

1.一种平面阵列天线，其特征在于：包括四个阵列模块，每个阵列模块由多个电线单元阵列组合而成，所述四个阵列模块分别位于直角坐标系的四个象限内；在同一象限内：各相邻两排天线单元之间沿横向偏移一段距离，各相邻两列天线单元之间沿纵向偏移一段距离，使同一象限内的所有天线单元呈平行四边形阵列设置；相邻两象限内的阵列模块关于该相邻两象限之间的坐标轴对称设置。

2.根据权利要求1所述的平面阵列天线，其特征在于：第一象限内的阵列模块的各行与各列的偏移量均为正值，其他象限内的各阵列模块的偏移量由第一象内的阵列模块的偏移量对称得到。

3.一种权利要求1或2所述平面阵列天线的阵列方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：将多个天线单元按矩形栅格或方形栅格排布成规则的二维平面阵；

步骤2：将所述二维平面阵划分成相同的四个阵列模块，即每个阵列模块落在直角坐标系的一个象限内；

步骤3：根据天线单元间距的大小选择第一象限模块内天线单元平移矢量；

步骤4：将所述平移矢量对称到其他象限内的阵列模块；

步骤5根据平面阵列天线远场方向图计算公式计算天线远场方向图，判断天线远场方向图是否满足系统要求，若满足则设计结束，若不满足则回到步骤3，重新调整天线单元平移矢量。

4.根据权利要求3所述的阵列方法，其特征在于：所述平移矢量是根据天线单元间距的大小计算得来，平移矢量由x方向平移量和y方向平移量进行矢量叠加得到。

5.根据权利要求4所述的阵列方法，其特征在于：第一象限x方向平移量与y方向平移量均为正值，其他象限内平移矢量由第一象限平移矢量对称得到。