CN107894583A - 一种基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法，所述方法包括如下步骤：步骤(1)：确定工作频率高的天线工作的中心频率f_0H、工作频率低的天线工作的中心频率f_0L、工作频率高的天线最小阵元间距d_H，工作频率低的天线最小阵元间距d_L；步骤(2)：确定工作频率较低的天线阵列的排布方式；步骤(3)：确定相控阵雷达阵面内双频天线阵列的混布区域；步骤(4)：获取频率高的天线阵列互补结构的尺寸规格及种类的数量；步骤(5)：将结果保存到数据库中。本发明的预处理方法可以降低双频共孔径相控阵对TR组件尺寸限制和规格限制，有效降低阵元密度与TR组件密度，使整阵更易于工程化模块化设计。

Description

一种基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法。

背景技术

现代雷达面临的生存环境日益恶劣，在设计过程中越来越多的要考虑雷达探测隐身目标、被发现、被干扰、被摧毁等诸多问题。为了提高雷达的抗干扰、抗隐身等能力，常常采用多波段雷达。多波段雷达可以以多频率、多极化方式工作，可获取海量目标信息，且具有更强的抗干扰能力。

共孔径阵列是一种整合多频段天线于单一孔径的阵列形式。该技术一方面可以使得多频段多极化雷达系统的总体积和重量大为减小，适用于装配在对雷达功能要求多，尺寸和体积受限制的载体平台上；另一方面使其后的许多分系统得到共享，以提高雷达的有效载荷和集成水平，增大实现雷达多功能的灵活性。

区别于传统机械扫描雷达，共孔技术应用于相控阵时，还需考虑与天线相连的后端TR组件的互换性、TR组件尺寸限制等问题，因此需要一种新的设计方法满足这些需求。

稀疏阵列来源于均匀阵列，是将一定数目的天线单元从均匀间隔阵列中抽去后形成的阵列，其阵元间距是原均匀阵列阵元间距的整数倍。利用该技术可以减少阵列中的阵元数量，同时对阵列使用不造成太大影响。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法，其中频率较低的天线阵列为均匀满阵，频率较高的天线阵列为符合互补结构约束的稀疏阵。

一种基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法，所述方法包括如下步骤：

步骤(1)：根据工作频率高的天线所处频段A、工作频率高的天线半波束扫描范围θ_H，工作频率低的天线所处频段B、工作频率低的天线波束扫描范围θ_L，确定工作频率高的天线工作的中心频率f_0H、工作频率低的天线工作的中心频率f_0L、工作频率高的天线最小阵元间距d_H，工作频率低的天线最小阵元间距d_L；

步骤(2)：根据步骤(1)确定的工作频率低的天线最小阵元间距d_L、雷达口面约束以及阵面布置方式，确定工作频率较低的天线阵列的排布方式；

步骤(3)：根据步骤(2)确定的工作频率较低的天线阵列的排布方式，以及工作频率高的天线最小阵元间距d_H和工作频率低的天线最小阵元间距d_L，结合期望采用的TR组件规格形式、工作频率高的天线3dB波束宽度θ_H3dB，确定相控阵雷达阵面内双频天线阵列的混布区域；

步骤(4)：获取频率高的天线阵列互补结构的尺寸规格及种类的数量；

步骤(5)：将步骤(1)～(4)的结果作为基于互补结构的天线阵列设计的输入数据保存到数据库中。

进一步的，所述步骤(1)具体包括：

对于共孔径阵面内两套天线阵列中工作频率高的天线阵来说，首先阵列工作的中心频率应落在相应频段内，即

f_0H∈A。

进一步的，所述步骤(1)具体还包括：

其次，工作频率高的天线阵无栅瓣最小阵元间距d₁可由如下公式获得：

式中，c为光速常数，θ_H为偏离阵列法向的最大扫描角。

进一步的，所述步骤(1)具体包括：

一般情况下，所述工作频率高的天线最小阵元间距d_H小于等于d₁。

进一步的，所述步骤(2)具体包括：

以工作频率低的天线最小阵元间距d_L为栅格边长构成矩形栅格，栅格中的交点代表可能的阵元摆放位置P_L；则阵列可布阵元位置P'_L可由下式获得：

P'_L＝P_L∩S

式中S表示去除结合紧固件工装需占用空间后雷达口面区域。

进一步的，所述步骤(2)具体包括：

天线阵列行、列单元数均为偶数。

进一步的，所述步骤(3)具体包括：

混布区域的一维最小尺寸M可由下式获得：

其中，k为一维最小尺寸常数，λ为工作波长，θ_3dB为期望的3dB波束宽度；通过上式可分别计算工作频率高阵列即混布区域的长、宽尺寸。

进一步的，所述步骤(5)具体包括：

将步骤(1)～(2)确定的工作频率高的天线工作的中心频率f_0H、工作频率低的天线工作的中心频率f_0L、工作频率高的天线最小阵元间距d_H，工作频率低的天线最小阵元间距d_L、工作频率较低的天线阵列的排布方式作为约束条件的输入数据保存到数据库中。

有益效果：通过本发明的预处理方法，可以降低双频共孔径相控阵对TR组件尺寸限制和规格限制，有效降低阵元密度与TR组件密度，使整阵更易于工程化模块化设计。

附图说明

图1是一种互补结构基本单元示意图；

图2是基于互补结构的双频共孔径相控阵天线阵列设计范例；

图3是图2中范例所使用的几种互补结构基本单元；

图4混布天线与TR组件连接示意图；

图5是本发明基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

双频共孔径相控阵天线阵列是一种将两套工作频率互不相同的天线阵列集成于同一雷达口面的雷达阵列。针对于双频共孔径相控阵天线阵列设计，在有限的空间内容纳下两个频段阵列的TR组件是该类型阵列的设计难点。本发明的设计方法对频率较高的阵列天线采用基于互补结构的稀疏阵设计，能够在混布范围内将该频段阵列所需阵元数有效减少。另外，基于包括但不限于图1所示的互补结构组合，可以使得该频段TR组件密度显著下降。若天线与TR组件通过转接方式连接，则天线与TR组件出口的转接距离只需在一个最小阵元间距内，如图4所示。

一种基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法，所述方法包括如下步骤：

步骤(1)：根据工作频率高的天线所处频段A、工作频率高的天线半波束扫描范围θ_H，工作频率低的天线所处频段B、工作频率低的天线波束扫描范围θ_L，确定工作频率高的天线工作的中心频率f_0H、工作频率低的天线工作的中心频率f_0L、工作频率高的天线最小阵元间距d_H，工作频率低的天线最小阵元间距d_L；

具体如下：

对于共孔径阵面内两套天线阵列中工作频率高的天线阵来说，首先阵列工作的中心频率应落在相应频段内，即应保证；

f_0H∈A

其次，工作频率高的天线阵无栅瓣最小阵元间距d₁可由如下公式获得：

式中，c为光速常数，θ_H为偏离阵列法向的最大扫描角。

一般情况下，选定的最小阵元间距d_H应小于等于d₁，即保证d_H≤d₁，在实际设计中，综合考虑单元方向图调制、雷达工作方式特点等因素，最小阵元间距还可以在此基础上适当调整。

对于共孔径阵面内两套天线阵列中工作频率低的天线阵来说，可以用同样的方法设计工作频率及最小阵元间距。首先阵列工作的中心频率应落在相应频段内，即应保证；

f_0L∈B

其次，工作频率低的天线阵无栅瓣最小阵元间距d₂可由如下公式获得：

式中，c为光速常数，θ_L为偏离阵列法向的最大扫描角。

一般情况下，选定的最小阵元间距d_L不应超过这一计算值，即保证d_L≤d₂，在实际设计中，综合考虑单元方向图调制、雷达工作方式特点等因素，最小阵元间距同样可以在此基础上适当调整。

需要注意的是，为了提高阵列设计的工程化水平，便于阵列天线的模块化设计，两种天线的最小阵元间距通常在允许的最小阵元间距限制范围内，令两频段的阵元间距成整数倍关系，即满足

d_L＝Nd_H

其中N为整数。

步骤(2)：根据步骤(1)确定的工作频率低的天线最小阵元间距d_L、雷达口面约束以及阵面布置方式，确定工作频率较低的天线阵列的排布方式；

具体包括：

为了尽量降低对TR组件单通道的功率要求，同时尽量保证雷达的功能完整性，可以对工作频率较低的天线阵列进行均匀满阵设计。一般地，以工作频率低的天线最小阵元间距d_L为栅格边长构成矩形栅格，栅格中的交点代表可能的阵元摆放位置P_L。阵列可布阵元位置P'_L可由下式获得：

P'_L＝P_L∩S

式中S表示去除结合紧固件工装需占用空间后雷达口面区域。在此基础上为了保证阵列对称性，应该使天线阵列行、列单元数均为偶数。同时出于工程化考虑，应使各行、列阵元数能够与确定的TR组件从结构装配和阵列性能上相匹配。

步骤(3)：根据步骤(2)确定的工作频率较低的天线阵列的排布方式，以及工作频率高的天线最小阵元间距d_H和工作频率低的天线最小阵元间距d_L，结合期望采用的TR组件规格形式、工作频率高的天线3dB波束宽度θ_H3dB，确定相控阵雷达阵面内双频天线阵列的混布区域；

具体包括：

混布区域的一维最小尺寸M可由下式获得：

其中，k为一维最小尺寸常数，对于矩形阵来说其优选值为0.886，λ为工作波长，θ_3dB为期望的3dB波束宽度。

通过上式可分别获得工作频率高阵列即混布区域的长、宽尺寸(因为长和宽均为一维)。由于采用稀疏阵形式，故根据稀疏阵波束展宽特性，在计算的长宽尺寸基础上进行适当的调整。

在混布区域形状选择方面，应综合考虑TR组件规格、阵列性能等因素。优选的，混布区域形状为十字形。这是由于十字形阵列对于稀疏阵设计来说有降方向图峰值旁瓣的作用，且整体形状较为规整，利于模块化、通用化设计。如图2虚线框区域内即为双频天线阵列十字形混布区域。

步骤(4)：获取频率高的天线阵列互补结构的尺寸规格及种类的数量。

尺寸规格及种类的数量由工艺水平来确定。

在本发明的技术方案中，相控阵互补结构定义为：以某一行(列)为基准，其余行(列)单元在阵面内以垂直于该行(列)的方向向该行(列)合并，最终会形成均匀满阵结构。以数学语言描述为：

存在由0、1组成的N元向量X，以及由0、1组成的N元向量Y，(0可看作无阵元，1可看作有阵元)，当满足如下条件时，则向量X、Y组合为互补结构。

其中，X(n)为向量X中的元素，Y(n)为向量Y中的元素，n为元素的序号。

图1为一种基本的互补结构。利用多种互补结构适当组合，可以获得方向图峰值旁瓣性能与均匀满阵近似的稀疏阵。从通用化、模块化角度出发，可以采用3～4种基本互补结构组阵。

步骤(5)：将步骤(1)～(4)的结果作为基于互补结构的天线阵列设计的输入数据保存到数据库中。

具体的包括：

将步骤(1)～(2)确定的工作频率高的天线工作的中心频率f_0H、工作频率低的天线工作的中心频率f_0L、工作频率高的天线最小阵元间距d_H，工作频率低的天线最小阵元间距d_L、工作频率较低的天线阵列的排布方式作为约束条件的输入数据，结合步骤(3)确定的混布区域和步骤(4)获取的频率高的天线阵列互补结构的尺寸规格及种类的数量，将上述数据均保存到数据库中，以作为基于互补结构的天线阵列设计的输入。

上述具体实施方式仅用于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的技术方案的基础上进行任何简单的变形或者替换而得到的新的技术方案，均将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于互补结构的天线阵列设计的预处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤(1)：根据工作频率高的天线所处频段A、工作频率高的天线半波束扫描范围θ_H，工作频率低的天线所处频段B、工作频率低的天线波束扫描范围θ_L，确定工作频率高的天线工作的中心频率f_0H、工作频率低的天线工作的中心频率f_0L、工作频率高的天线最小阵元间距d_H，工作频率低的天线最小阵元间距d_L；

步骤(2)：根据步骤(1)确定的工作频率低的天线最小阵元间距d_L、雷达口面约束以及阵面布置方式，确定工作频率较低的天线阵列的排布方式；

步骤(3)：根据步骤(2)确定的工作频率较低的天线阵列的排布方式，以及工作频率高的天线最小阵元间距d_H和工作频率低的天线最小阵元间距d_L，结合期望采用的TR组件规格形式、工作频率高的天线3dB波束宽度θ_H3dB，确定相控阵雷达阵面内双频天线阵列的混布区域；

步骤(4)：获取频率高的天线阵列互补结构的尺寸规格及种类的数量；

步骤(5)：将步骤(1)～(4)的结果作为基于互补结构的天线阵列设计的输入数据保存到数据库中。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

对于共孔径阵面内两套天线阵列中工作频率高的天线阵来说，首先阵列工作的中心频率应落在相应频段内，即

f_0H∈A。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体还包括：

其次，工作频率高的天线阵无栅瓣最小阵元间距d₁可由如下公式获得：

<mrow> <msub> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>c</mi> <mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mn>0</mn> <mi>H</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mi>H</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，c为光速常数，θ_H为偏离阵列法向的最大扫描角。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：

所述工作频率高的天线最小阵元间距d_H小于等于d₁。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：

以工作频率低的天线最小阵元间距d_L为栅格边长构成矩形栅格，栅格中的交点代表可能的阵元摆放位置P_L；则阵列可布阵元位置P'_L可由下式获得：

P'_L＝P_L∩S

式中S表示去除结合紧固件工装需占用空间后雷达口面区域。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：

天线阵列行、列单元数均为偶数。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：

混布区域的一维最小尺寸M可由下式获得：

<mrow> <mi>M</mi> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mn>3</mn> <mi>d</mi> <mi>B</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>

其中，k为一维最小尺寸常数，λ为工作波长，θ_3dB为期望的3dB波束宽度；通过上式可分别计算工作频率高阵列即混布区域的长、宽尺寸。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括：

将步骤(1)～(2)确定的工作频率高的天线工作的中心频率f_0H、工作频率低的天线工作的中心频率f_0L、工作频率高的天线最小阵元间距d_H，工作频率低的天线最小阵元间距d_L、工作频率较低的天线阵列的排布方式作为约束条件的输入数据保存到数据库中。