CN107275806A - 一种相控阵天线阵面加权方法 - Google Patents

Abstract

一种相控阵天线阵面加权方法，适用于近圆形阵面的幅度加权计算，能够综合考虑方向图低副瓣的目标要求、阵面形状自身的加权效果，并支持定量化的计算得出各阵元的通道所需的幅度加权量。本发明所提出的相控阵天线的阵面加权方法步骤为：首先，按照相应规则将圆形阵面分区，每个分区中的阵元对应着同一个幅度加权量；其次，将各分区的幅度加权量视为未知量，建立阵面自身加权影响、幅度加权配置与方向图副瓣指标之间的定量化关系，即构建关于各分区幅度加权量的等式方程；最后，求解等式方程，解出各分区的幅度加权量，并据此配置各分区中阵元通道的幅度加权值，完成相控阵阵面加权配置。

Description

一种相控阵天线阵面加权方法

技术领域

本发明提出了一种相控阵天线阵面加权方法，涉及相控阵天线阵面设计技术领域。

背景技术

相控阵天线阵面采用阵列结构，通过改变各阵元的移相和衰减量来实现波束控制。不同于机械扫描天线的物理转动，相控阵天线仅需通过电信号控制即可实现波束捷变扫描，便于实现对动态目标的跟踪通信或跟踪探测；相控阵天线通过对不同阵元的幅相控制可以获得不同的方向图性能，波束控制较为灵活，便于实现波束赋形和自适应干扰抑制；相控阵天线各阵元均具备功率放大功能，可以实现发射分集，进而减轻大功率集中发射的压力。相控阵天线在通信、雷达等领域有着广阔的应用前景。

低副瓣是方向图性能的重要指标，有着诸多应用方向。相控阵各阵元合理的幅度加权是实现低副瓣方向图的重要途径。不同的阵面形状本身蕴含着加权效果，各阵元不同的幅度衰减量的配置可以再次叠加加权效果，阵面与幅度衰减量的共同作用促成了预期低副瓣的方向图效果。因此，如何在预期低副瓣目标下，在现有阵面形状的约束下，获取各阵元通道的幅度衰减量是一个值得探索的方向。

现有的方法，多是不考虑阵面本身加权效果的影响，或者采用经典阵面的加权方法进行计算(例如圆阵的加权计算方法)。本专利提出了一种新的阵面加权方法，适用于近圆形轮廓阵面的加权处理，该专利方法面向方向图低副瓣的目标要求，定量化地考虑阵面形状自身的加权效果，并支持直接计算得出各阵元的通道所需的幅度加权量。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种相控阵天线的阵面加权方法，适用于近圆形阵面的幅度加权计算，能够综合考虑方向图低副瓣的目标要求、阵面形状自身的加权效果，并支持定量化的计算得出各阵元的通道所需的幅度加权量。

本发明的技术解决方案是：

一种相控阵天线阵面加权方法，步骤如下：

(1)根据近圆形相控阵阵面的阵元数量、各阵元幅度衰减器的有效档位，以圆环区域的方式对相控阵阵面进行分区；

(2)根据阵面自身加权效果、各阵元幅度权值以及方向图副瓣指标，构建各分区幅度权值的等式方程；

(3)根据一维窗函数权值系数与副瓣目标电平的关系，求解分区幅度权值的等式方程，得到各分区中阵元通道的幅度权值x₁,x₂,…,x_N；

(4)根据求解得到的各分区中阵元通道的幅度权值x₁,x₂,…,x_N，完成相控阵阵面加权配置。

所述步骤(1)具体为：各分区以半径等量递增的同心圆为边界，最内侧分区为一圆形区域，其他分区均为圆环区域；对于跨分区的阵元，按照阵元几何中心最邻接的原则确定其所属分区。

所述分区的个数不多于幅度衰减器的有效档位数量，并且保证每个分区内都有有效阵元；半径最大的同心圆与相控阵阵面的外轮廓圆周一致。

所述幅度权值的等式方程具体为：

w_n＝2x_nL_n,n+2x_n+1L_n,n+1+…+2x_NL_n,N,n＝1,2…N；

其中，按照从内到外的顺序，各分区的幅度配置权值为x₁,x₂,…,x_N，N为分区的数目，权值x₁,x₂,…,x_N对应着各分区阵元通道衰减量的配置值；各分区的幅度综合加权效果的等效值为w₁,w₂,…,w_N；

所述步骤(3)具体为：

通过公式C＝[w_N,…,w₂,w₁,w₁,w₂,…,w_N]计算各分区的幅度综合加权效果的等效值w₁,w₂,…,w_N；其中，C为一维窗函数的权值系数矩阵。

所述一维窗函数的阶数为2N，目标副瓣为-15dB～-30dB。

所述一维窗函数采用Chebyshev窗函数或者Taylor窗函数。

所述步骤(4)具体为：

(8.1)提取x₁,x₂,…,x_N中的最大值x_max，并将其对应分区中阵元通道均配置为幅度零衰减；

(8.2)对x₁,x₂,…,x_N中除最大值外的幅度权值，计算各对应分区中阵元通道的幅度衰减量并完成配置，幅度衰减量的计算公式为其中x_n表示x₁,x₂,…,x_N中除最大值外的幅度权值，x_max表示x₁,x₂,…,x_N中的最大值，Δ表示幅度衰减器相邻档位之间的衰减量间隔，[]表示按照四舍五入的规则进行取整。

所述步骤(8.1)将对应分区中阵元通道均配置为幅度零衰减通过配置相控阵中的TR模块中的幅度衰减器实现。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明提出了一种新的阵面加权方法，该方法面向方向图低副瓣的目标要求，能够定量化地考虑近圆形轮廓阵面形状自身的加权效果，能够精确计算出各阵元通道所需的幅度加权量，进而能精准地实现预期的方向图低副瓣效果。

附图说明

图1为近圆形相控阵阵面的分区示意图；

图2为相控阵阵面分区的几何关系示意图；

图3为按照本专利方法进行阵面加权后获得的相控阵天线方向图。

具体实施方式

本发明提出的一种相控阵天线阵面加权方法的步骤如下：

步骤1：如图1所示，依据近圆形相控阵阵面的阵元数量规模、各阵元幅度衰减器的有效档位，按照圆环区域对阵面进行分区。近圆形相控阵阵面是指相控阵阵面的外轮廓近似为圆形，该种阵面轮廓的天线在不同方位角指向下的方向图性能一致性较好，应用范围较广泛。幅度衰减器用于控制相控阵各通道的衰减量，幅度衰减器的档位表征着不同数值的衰减量，可通过设置各通道的幅度衰减器档位，来改变相控阵天线的方向图性能。

具体分区实施遵循如下规则：

分区的个数尽可能多，但不多于幅度衰减器的有效档位数量，并且需保证每个分区内都有有效阵元；各分区以半径等量递增的同心圆为边界(如图1，半径最大的同心圆与相控阵阵面的外轮廓圆周一致)，最内侧分区为一圆形区域，其他分区均为圆环区域；对于跨分区的阵元，按照阵元几何中心最邻接的原则确定其所属分区。

步骤2：依据阵面自身加权效果、各阵元幅度权值、方向图副瓣指标，构建各分区幅度权值的等式方程，具体实施方式如下：

如图1所示，按照从内到外的顺序，设各分区的幅度配置权值为x₁,x₂,…,x_N，其中N为分区的数目，权值x₁,x₂,…,x_N对应着各分区阵元通道衰减量的配置值；

同时考虑阵面自身加权效果和各分区幅度配置权值x₁,x₂,…,x_N的共同影响，并设各分区的幅度综合加权效果的等效值为w₁,w₂,…,w_N，则可得等式关系

w_n＝2x_nL_n,n+2x_n+1L_n,n+1+…+2x_NL_n,N,(n＝1,2…N) (1)

其中，L_n,m(n＝1,2,…,N；m＝n,n+1,…,N)的含义为：如图2所示，过第n分区的中心位置点作一条竖直线，L_n,m表示该竖直线在第m分区中的长度(该竖直线在上下两侧会对称经过第m分区，L_n,m指其中一侧的长度)。

在式(1)中，x₁,x₂,…,x_N表征了各阵元的幅度权值；等式右边的累加求和，体现了阵面自身的加权效果；等式左边的w_n的值体现了方向图的副瓣指标(即在获取w_n的取值时，会考虑到方向图副瓣指标，获取w_n值的具体方法会在步骤3中详述)。

式(1)所示的等式关系能够在同时考虑阵面自身加权效果、各阵元幅度权值、方向图副瓣指标等因素的条件下，精确求解出各通道所需的幅度配置权值，进而能够精确地实现预期的方向图副瓣效果。

L_n,m的具体数值可通过图2所示几何关系计算得出(将每个分区同心圆的半径递增量视为单位1处理)，即

步骤3：对照一维窗函数权值系数与副瓣目标电平的关系，给方程中的相关参量赋值，进而求解关于分区幅度权值的等式方程，具体实施方式如下：

获取阶数为2N(例如9个阵面分区，对应18阶窗函数)、目标副瓣为-15dB～-30dB(例如-20dB为示例值，此处目标副瓣值等于相控阵方向图的目标副瓣值)的一维窗函数(例如Chebyshev窗函数、Taylor窗函数等)的权值系数，此系数的获取为信号处理的公用方法，可通过常规软件工具(例如matlab工具箱)计算获得。设获取的窗函数的权值系数为C(C为一维矩阵)，则其与w₁,w₂,…,w_N的对应关系为

C＝[w_N,…,w₂,w₁,w₁,w₂,…,w_N] (3)

将式(2)、式(3)代入式(1)，并求解式(1)所表征的方程组，则可解得x₁,x₂,…,x_N之间的比例关系(例如，x₁,x₂,…,x_N-1均可表示为关于x_N的倍数)。

步骤4：依据各分区中阵元通道的幅度权值x₁,x₂,…,x_N的比例关系，完成相控阵阵面加权配置，具体实施方式为：首先，提取x₁,x₂,…,x_N中的最大值，并将其对应分区中阵元通道均配置为幅度零衰减(例如，可通过配置TR模块中的幅度衰减器实现)；其次，对x₁,x₂,…,x_N中除最大值外的幅度权值，计算各对应分区中阵元通道的幅度衰减量并完成配置，幅度衰减量的计算公式为其中x_n表示x₁,x₂,…,x_N中除最大值外的幅度权值，x_max表示x₁,x₂,…,x_N中的最大值，Δ表示幅度衰减器相邻档位之间的衰减量间隔，[]表示按照四舍五入的规则进行取整。

实施例：

如图1所示的天线方向图阵面，共分为9个权值分区，各分区边界同心圆的半径等量递增；方向图副瓣指标为-25dB；各分区的幅度综合加权效果的等效值为18阶一维切比雪夫窗函数。

按照本发明方法对各分区中阵元通道的幅度权值进行了计算，并据此完成了相控阵阵面加权配置，得到的方向图结果如图3所示。图3所示的结果较为精确地实现了预期的-25dB副瓣指标。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据近圆形相控阵阵面的阵元数量、各阵元幅度衰减器的有效档位，以圆环区域的方式对相控阵阵面进行分区；

(2)根据阵面自身加权效果、各阵元幅度权值以及方向图副瓣指标，构建各分区幅度权值的等式方程；

(3)根据一维窗函数权值系数与副瓣目标电平的关系，求解分区幅度权值的等式方程，得到各分区中阵元通道的幅度权值x₁,x₂,…,x_N；

(4)根据求解得到的各分区中阵元通道的幅度权值x₁,x₂,…,x_N，完成相控阵阵面加权配置。

2.根据权利要求1所述的一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：各分区以半径等量递增的同心圆为边界，最内侧分区为一圆形区域，其他分区均为圆环区域；对于跨分区的阵元，按照阵元几何中心最邻接的原则确定其所属分区。

3.根据权利要求2所述的一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于：所述分区的个数不多于幅度衰减器的有效档位数量，并且保证每个分区内都有有效阵元；半径最大的同心圆与相控阵阵面的外轮廓圆周一致。

4.根据权利要求1所述的一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于：所述幅度权值的等式方程具体为：

w_n＝2x_nL_n,n+2x_n+1L_n,n+1+…+2x_NL_n,N,n＝1,2…N；

其中，按照从内到外的顺序，各分区的幅度配置权值为x₁,x₂,…,x_N，N为分区的数目，权值x₁,x₂,…,x_N对应着各分区阵元通道衰减量的配置值；各分区的幅度综合加权效果的等效值为w₁,w₂,…,w_N；

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5.根据权利要求1所述的一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于：所述步骤(3)具体为：

通过公式C＝[w_N,…,w₂,w₁,w₁,w₂,…,w_N]计算各分区的幅度综合加权效果的等效值w₁,w₂,…,w_N；其中，C为一维窗函数的权值系数矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于：所述一维窗函数的阶数为2N，目标副瓣为-15dB～-30dB。

7.根据权利要求5或6所述的一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于：所述一维窗函数采用Chebyshev窗函数或者Taylor窗函数。

8.根据权利要求1所述的一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于：所述步骤(4)具体为：

(8.1)提取x₁,x₂,…,x_N中的最大值x_max，并将其对应分区中阵元通道均配置为幅度零衰减；

(8.2)对x₁,x₂,…,x_N中除最大值外的幅度权值，计算各对应分区中阵元通道的幅度衰减量并完成配置，幅度衰减量的计算公式为其中x_n表示x₁,x₂,…,x_N中除最大值外的幅度权值，x_max表示x₁,x₂,…,x_N中的最大值，Δ表示幅度衰减器相邻档位之间的衰减量间隔，[]表示按照四舍五入的规则进行取整。

9.根据权利要求8所述的一种相控阵天线阵面加权方法，其特征在于：所述步骤(8.1)将对应分区中阵元通道均配置为幅度零衰减通过配置相控阵中的TR模块中的幅度衰减器实现。