CN107230843B - 一种基于不规则子阵排列的相控阵天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于不规则子阵排列的相控阵天线。由一百个以上的不规则子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形；不规则子阵由两个以上的相控阵单元组成，相控阵单元形成矩形或L形，且为常规相控阵单元；相控阵单元的边长介于0.5λ～0.9λ之间，λ为相控阵天线的工作波长；两个以上的相控阵单元为矩形或L形；相邻不规则子阵之间为无缝连接，实现与常规满阵同样的阵面口径效率，及‑25dB左右的低副瓣加权；不规则子阵的相位中心在相控阵天线中呈随机排布，相控阵天线在±5度～±20度的扫描范围内扫描时不会出现栅瓣。本发明实现了较少的天线有源通道数和子阵数达到高增益，低副瓣，较好的栅瓣抑制等要求，降低了天线系统的成本。

Description

一种基于不规则子阵排列的相控阵天线
技术领域
本发明属于雷达、通信技术领域，具体涉及阵面有源通道有限的相控阵天线。
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。
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。采用子阵共用一个有源通道的阵列天线是一种可行的办法。这种阵列可以大大减少通道数目，但选取的子阵为规则的正方形或矩形时，其子阵的相位中心就会在阵面形成矩形栅格。当子阵的边长即矩形栅格的间距大于1个波长时就会出现栅瓣。栅瓣的存在会对天线增益和系统指标产生很大影响，因此如何抑制基于子阵排列的阵列天线的栅瓣就成为一项研究课题。
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子阵排布方法打乱子阵相位中心的周期性，使栅瓣的能量分散开，达到抑制栅瓣的目的。目前有两类方法，一类方法是规则子阵错位，旋转等方法。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。另一种方法就是采用非规则子阵，通过打乱子阵的相位中心抑制栅瓣。R.J.Mailloux等人对此种方法进行了大量的研究，但主要针对宽带延时补偿方面的应用。
发明内容
为了实现以较少的子阵数和有源通道数达到高增益、低副瓣加权，较好的栅瓣抑制等要求，降低天线系统的成本，本发明提供一种基于不规则子阵排列的相控阵天线。
一种基于不规则子阵排列的相控阵天线由一百个以上的不规则子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形；
所述不规则子阵由两个以上的相控阵单元组成，所述两个以上的相控阵单元形成矩形或L形；
所述相控阵单元为常规相控阵单元；相控阵单元的边长介于0.5λ～0.9λ之间，λ为相控阵天线的工作波长；
相邻不规则子阵之间为无缝连接，实现与常规满阵同样的阵面口径效率，及-25dB左右的低副瓣加权；不规则子阵的相位中心在相控阵天线中呈随机排布，相控阵天线在±5度～±20度的扫描范围内扫描时不会出现栅瓣。
进一步限定的技术方案如下：
所述常规相控阵单元为微带天线或金属振子。
所述不规则子阵由两个相控阵单元组成日字形的第一子阵，第一子阵的相位中心为其质量均匀时的质心；所述相控阵天线由一百个以上的第一子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈正方形。
所述不规则子阵由四个相控阵单元组成L形的第二子阵，第二子阵的相位中心为其质量均匀时的质心；所述相控阵天线由一百个以上的第二子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形。
所述不规则子阵由八个相控阵单元组成L形的第三子阵，第三子阵的相位中心为其质量均匀时的质心；所述相控阵天线由一百个以上的第三子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形。
两个以上的相控阵天线组成相控阵天线阵列。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1.本发明相控阵天线由不规则子阵规则排列组成，其相位中心在阵面称随机排布，因此阵列在一定的扫描范围内扫描时不会出现栅瓣。
2.不规则子阵规则排列拼接时非常便于工程实施。
3.由于不规则子阵之间的无缝拼接，可最大限度地利用阵面口径，并很方便地实现低副瓣加权。
4.本发明可以较少的天线单元和子阵数达到高增益，低副瓣，较好的栅瓣抑制等要求，降低了天线系统的成本。
附图说明
图1为不规则的第一子阵结构示意图。
图2为不规则的第二子阵结构示意图。
图3为不规则的第三子阵结构示意图。
图4是由第一子阵组成的相控阵天线示意图。
图5是图4所示阵面法向方向图水平面切面图。
图6是图4所示阵面法向方向图垂直面切面图。
图7是图4所示阵面水平面扫描20度角方向图水平面切面图。
图8是图4所示阵面垂直面扫描20度角方向图垂直面切面图。
图9是由第二子阵组成的相控阵天线示意图。
图10是图9所示阵面水平面扫描10度角方向图水平面切面图。
图11是图9所示阵面垂直面扫描10度角方向图垂直面切面图。
图12是由第三子阵组成的相控阵天线示意图。
图13是图12所示阵面水平面扫描5度角方向图水平面切面图。
图14是图12所示阵面垂直面扫描5度角方向图垂直面切面图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
参见图1，不规则子阵由两个相控阵单元组成，两个相控阵单元形成日字形的第一子阵，第一子阵相位中心为其质量均匀时的质心；见图1中各不同位置状态的第一子阵中的黑点即为质心。相控阵单元为常规相控阵单元，常规相控阵单元为微带天线。
参见图4，一种基于不规则子阵排列的相控阵天线由200个不规则的第一子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈正方形。
每个正方形栅格表示一个相控阵单元所占的面积，共400(20×20)个相控阵单元，两种子阵用黑白两种颜色区分，见图4。相控阵单元间距即正方形栅格的边长为0.7λ，λ为天线的工作波长。常规阵列设计时为保证天线在±20°范围内扫描时不出现栅瓣，单元间距应约小于0.7λ，相控阵天线有源通道数即相控阵单元数至少约为400。现在采用子阵后，两个相控阵单元共用一个有源通道，有源通道数减少了50％。根据图1所示的第一子阵的相位中心，对有源通道进行相位加权，可以计算出天线在±20°范围内扫描时的远场方向图。由于相控阵单元布满整个阵面，相控阵天线不扫描时其增益与满阵相当。当相控阵天线用于接收时，需要对其进行子阵级幅度加权。这里用第一子阵相位中心处的幅度权值代表该子阵的幅度权值。相位中心处的幅度权值可根据阵面理想的泰勒权值插值得到。图5和图6分别给出了天线不扫描时方位面和垂直面的方向图，图7和图8分别给出了天线方位面扫描20度时方位面方向图和垂直面扫描20度的垂直面方向图。计算结果表明，相控阵天线不扫描时，波束形状非常接近于满阵-25dB泰勒加权得到的波束形状。当相控阵天线扫描到20度时，栅瓣小于-15dB，副瓣达-24dB。
实施例2
参见图2，不规则子阵由四个相控阵单元组成，四个相控阵单元形成L形的第二子阵，第二子阵相位中心为其质量均匀时的质心。见图2中各不同位置状态的第二子阵中的黑点即为质心。相控阵单元为常规相控阵单元,常规相控阵单元为微带天线。
一种基于不规则子阵排列的相控阵天线由80个的不规则的第二子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形。
参见图9，四个相控阵天线组成相控阵天线阵列。四个相控阵天线完全相同。每个相控阵天线共320(20*16)个相控阵单元，80个第二子阵，整个相控阵天线阵列共320个第二子阵。相控阵单元的间距为0.82λ×0.82λ，λ为天线的工作波长。常规阵列设计时为保证天线在±10°范围内扫描时不出现栅瓣，单元间距应约小于0.82λ，天线有源通道数即天线单元数至少约为1280个。现在采用子阵后，四个相控阵天线共用一个有源通道，有源通道数减少了75％。仍然采用上例所示的幅度和相位的加权方法计算此阵面的远场方向图。图10和图11分别给出了相控阵天线阵列方位面扫描10度时方位面方向图和垂直面扫描10度的垂直面方向图。计算结果表明，相控阵天线阵列在±10°范围内扫描时，栅瓣小于-18dB，副瓣小于-24dB。
实施例3
参见图3，不规则子阵由八个相控阵单元组成，八个相控阵单元形成L形的第三子阵，第三子阵相位中心为其质量均匀时的质心，见图3中各不同位置状态的第三子阵中的黑点即为质心。相控阵单元为常规相控阵单元,常规相控阵单元为金属振子。
一种基于不规则子阵排列的相控阵天线由40个的不规则的第三子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形。
参见图12，四个相控阵天线组成相控阵天线阵列。四个相控阵天线完全相同。每个相控阵天线共320(20*16)个相控阵单元，40个第三子阵，整个阵面共160个子阵。单元间距为0.89λ×0.89λ，λ为天线的工作波长。8种子阵分别用8种不同的颜色区分，如图所示。常规阵列设计时为保证天线在±5°范围内扫描时不出现栅瓣，单元间距应约小于0.89λ，天线有源通道数即天线单元数至少约为1280个。现在采用子阵后，8个单元共用1个有源通道，有源通道数减少了87.5％。仍然采用例1所示的幅度和相位的加权方法计算此阵面的远场方向图。图13和图14分别给出了天线方位面扫描5度时方位面方向图和垂直面扫描5度的垂直面方向图。计算结果表明，天线在±5°范围内扫描时，栅瓣小于-17dB，副瓣小于-24dB。

Claims (5)

1.一种基于不规则子阵排列的相控阵天线，其特征在于：
所述相控阵天线由一百个以上的不规则子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形；
所述不规则子阵由两个以上的相控阵单元组成，所述两个以上的相控阵单元形成矩形或L形；
所述相控阵单元为常规相控阵单元,常规相控阵单元为微带天线或金属振子；相控阵单元的边长介于0.5λ～0.9λ之间，λ为相控阵天线的工作波长；
相邻不规则子阵之间为无缝连接，实现与常规满阵同样的阵面口径效率，及-25dB左右的低副瓣加权；不规则子阵的相位中心在相控阵天线中呈随机排布，相控阵天线在±5度～±20度的扫描范围内扫描时不会出现栅瓣。
2.根据权利要求1所述的一种基于不规则子阵排列的相控阵天线，其特征在于：所述不规则子阵由两个相控阵单元组成日字形的第一子阵，第一子阵的相位中心为其质量均匀时的质心；所述相控阵天线由一百个以上的第一子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈正方形。
3.根据权利要求1所述的一种基于不规则子阵排列的相控阵天线，其特征在于：所述不规则子阵由四个相控阵单元组成L形的第二子阵，第二子阵的相位中心为其质量均匀时的质心；所述相控阵天线由一百个以上的第二子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形。
4.根据权利要求1所述的一种基于不规则子阵排列的相控阵天线，其特征在于：所述不规则子阵由八个相控阵单元组成L形的第三子阵，第三子阵的相位中心为其质量均匀时的质心；所述相控阵天线由一百个以上的第三子阵规则排列组成，相控阵天线的边界呈矩形。
5.根据权利要求1所述的一种基于不规则子阵排列的相控阵天线，其特征在于：两个以上的相控阵天线组成相控阵天线阵列。
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