CN108511909B - 一种球面相控阵天线的布阵方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面相控阵天线的布阵方法，包括：根据天线的增益需求,确定球面相控阵天线的半径；以球心为原点建立球坐标系，给定上半球面第1圈阵元的个数P，计算对应的俯仰角；在俯仰角为的0°球面位置部署第n圈阵元；在第1圈阵元和第n圈阵元之间插入n‑2圈阵元，确定n‑2的取值；对插入的n‑2圈阵元进行俯仰角划分，确定上半球面每一圈阵元的俯仰角；在第2圈阵元到第n圈阵元中，根据任一圈阵元所对应的俯仰角，计算该圈阵元的阵元数目。本发明提供了一种球面相控阵天线的布阵方法，考虑了球面相控阵天线布阵过程中的天线增益需求和最高频点波长，兼顾了阵元在高频段的波束旁瓣性能和阵元在低频段的互耦性能，同时形态上更有利于加工生产。

Description

一种球面相控阵天线的布阵方法

技术领域

本发明涉及相控阵天线，特别是涉及一种球面相控阵天线的布阵方法。

背景技术

相控阵天线剖面低，易于与载体共形，可以快速准确地控制辐射波束的指向，已经广泛应用于雷达探测领域，同时在移动通信领域具有巨大的应用前景；为了实现宽角扫描功能，必须严格控制天线单元的间距，避免大角度扫描时出现栅瓣；必须使用宽波束的天线单元形式；需要调节天线单元的互耦特性，避免出现扫描盲点；相控阵天线有多种形式，如线阵、平面阵、圆阵、圆柱形阵列、球形阵、球面阵，以及与较为复杂的表面共形的共形阵等多种形式；其中，在实现全空域探测或全空域扫描的过程中，球面相控阵天线有着非常广泛的应用，天线的布阵将直接影响到球面相控阵天线的工作性能和准确性，对于球面相控阵天线的工作具有重大意义，但是，据目前而言，球面相控阵天线在布阵过程中，存在两个问题：一、很少考虑平均阵元间距与最高载频的波长的关系，很难兼顾阵元在高频段的波束旁瓣性能和阵元在低频段的互耦性能；阵元分布整体无规律，对加工与生产的要求较高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种球面相控阵天线的布阵方法，充分考虑了球面相控阵天线布阵过程中的天线增益需求和最高频点波长，兼顾了阵元在高频段的波束旁瓣性能和阵元在低频段的互耦性能；同时阵元分布具有规律性，方便于采用模块化拼装方式完成天线骨架的搭建。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种球面相控阵天线的布阵方法，包括以下步骤：

S1.根据天线的增益需求G：

确定球面相控阵天线的半径R:

式中，G表示天线增益要求，λ表示天线最高频点对应的波长，λ＝c/f_max，f_max为最高频点频率，c表示电磁波传播速度；η是球面相控阵天线的天线效率；A_e表示有效的天线面积，A_e＝ηπR²；

S2.以球心为原点建立球坐标系，给定上半球面第1圈阵元的个数P，计算对应的俯仰角θ₁，使得第1圈阵元两两之间距离处于0.5λ～1.5λ之间，其中P为不小于3的整数；

S3.在俯仰角为θ_n＝0的球面位置部署第n圈阵元；

S4.在第1圈阵元和第n圈阵元之间插入n-2圈阵元，确定n-2的取值为：

n-2＝round[(R×θ₁)/λ]-1；

式中，round表示在小数第一位进行四舍五入计算；

S5.对插入的n-2圈阵元进行俯仰角划分，确定上半球面每一圈阵元的俯仰角θ₁、θ₂…θ_n，令相邻两圈阵元之间的弧度差Δθ_i＝θ_i-θ_i+1,i＝1,2,3,...,n-1，则Δθ_i需满足：

S6.在第2圈阵元到第n圈阵元中，根据任一圈阵元所对应的俯仰角θ_i,i＝2,3,...,n，计算该圈阵元的阵元数目：

其中，S_i＝2πRcos(θ_i)，表示俯仰角θ_i所对应第i圈阵元的周长；

S7.在第1圈阵元到第n圈阵元中，根据计算得到的每一圈阵元数目，将该圈的阵元均匀布设于对应的俯仰角上。

其中，所述的步骤S2中，根据第1圈阵元的个数P，计算对应的俯仰角θ₁的过程包括：

获取第一圈阵元两两之间的间距d₁与俯仰角θ₁的关系：第1圈阵元的半径R₁＝Rcosθ₁，第1圈阵元的周长L₁＝2πR₁＝2πRcosθ₁，第一圈阵元两两之间的间距d₁＝L₁/P＝2πRcosθ₁/P；

根据0.5λ＜d₁＜1.5λ，得到0.5λ＜2πRcosθ₁/P＜1.5λ，得到俯仰角θ₁的范围。

其中，所述步骤S5中，对插入的n-2圈阵元进行俯仰角划分，包括如下两种方式：

方式一，使插入的n-2圈阵元均匀分布在θ₁和θ_n之间，保证相邻阵元之间的弧度相同，相邻两圈阵元之间的弧度差

方式二，使插入的n-2圈阵元在方式一中均匀分布方式的基础上，进行0.2λ范围内的调整,即相邻两圈阵元之间的弧度差Δθ_i满足：

且

优选的，所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，在各圈阵元布设完成后，还包括旁瓣电平调节步骤：

从n圈天线阵元中，选择一圈天线阵元进行小角度旋转，减小球面相控阵天线的旁瓣电平的同时，削弱了两圈阵元间的互耦影响，当旋转角度为π/M_i时，旁瓣电平调节效果最好。

优选地，所述上半球面的顶部留空，以连接GPS天线或标校天线。

优选地，所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，在各圈阵元布设完成后，还包括负俯仰角阵元部署步骤，在球面坐标系中，选择若干个不同的负俯仰角，在若干个负俯仰角对应的下半球面位置均匀部署球面相控阵天线的阵元；以保证球面相控阵天线的正低仰角以及负仰角的增益。

优选地，为了进一步增强低仰角目标的增益，在球面布阵的基础上，所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，在各圈阵元布设完成后，还包括低仰角目标增益增强步骤：对俯仰角为θ_n＝0的剖面进行垂直拉伸，形成一段圆柱面，并在增加的圆柱面上重复部署X圈阵元，每圈阵元数量为M_n，其中X≥1。

本发明的有益效果是：本发明充分考虑了球面相控阵天线布阵过程中的天线增益需求和最高频点波长，兼顾了阵元在高频段的波束旁瓣性能和阵元在低频段的互耦性能；同时，围绕P值进行的布阵可以实现对球面阵的P等分，即通过采用模块化拼装方式完成天线骨架的搭建。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为第1圈阵元的部署示意图；

图3为各圈阵元的俯仰角划分示意图；

图4为天线阵元旋转前球面相控阵天线的上半球面俯视图；

图5为天线阵元旋转后球面相控阵天线的上半球面俯视图；

图6为球面相控阵天线的上半球面顶部留空后的俯视图；

图7为球面相控阵天线上半球面顶部连接GPS天线或标校天线后的主视图；

图8为球面相控阵天线下半球面的阵元部署示意图；

图9为球面相控阵天线拉伸示意图；

图10为球面划分为P个完全相同区域的示意图；

图11为本发明实施例中天线布阵的俯视图；

图12为本发明实施例中天线布阵的三维立体坐标图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种球面相控阵天线的布阵方法，包括以下步骤：

S1.根据天线的增益需求G：

确定球面相控阵天线的半径R:

式中，G表示天线增益要求，λ表示天线最高频点对应的波长，λ＝c/f_max，f_max为最高频点频率，c表示电磁波传播速度；η是球面相控阵天线的天线效率；A_e表示有效的天线面积，A_e＝ηπR²；

S2.如图2所示，以球心为原点建立球坐标系，给定上半球面第1圈阵元的个数P，计算对应的俯仰角θ₁，使得第1圈阵元两两之间距离处于0.5λ～1.5λ之间，其中P为不小于3的整数；

S3.在俯仰角为θ_n＝0的球面位置部署第n圈阵元；

S4.在第1圈阵元和第n圈阵元之间插入n-2圈阵元，确定n-2的取值为：

n-2＝round[(R×θ₁)/λ]-1；

式中，round表示在小数第一位进行四舍五入计算；

S5.对插入的n-2圈阵元进行俯仰角划分，确定上半球面每一圈阵元的俯仰角θ₁、θ₂…θ_n，令相邻两圈阵元之间的弧度差Δθ_i＝θ_i-θ_i+1,i＝1,2,3,...,n-1，则Δθ_i需满足：

S6.在第2圈阵元到第n圈阵元中，根据任一圈阵元所对应的俯仰角θ_i,i＝2,3,...,n，计算该圈阵元的阵元数目：

其中，S_i＝2πRcos(θ_i)，表示俯仰角θ_i所对应第i圈阵元的周长；

S7.在第1圈阵元到第n圈阵元中，根据计算得到的每一圈阵元数目，将该圈的阵元均匀布设于对应的俯仰角上。

在本申请的一些实施例中，如果天线只需要覆盖高俯仰角，可以根据需要删除第n圈、第n-1圈等低仰角阵元，降低成本；天线阵元部署完成后，可以根据给定的P值将球面划分为P个完全相同的区域，便于加工制造。

其中，所述的步骤S2中，根据第1圈阵元的个数P，计算对应的俯仰角θ₁的过程包括：

获取第一圈阵元两两之间的间距d₁与俯仰角θ₁的关系：第1圈阵元的半径R₁＝Rcosθ₁，第1圈阵元的周长L₁＝2πR₁＝2πRcosθ₁，第一圈阵元两两之间的间距d₁＝L₁/P＝2πRcosθ₁/P；

根据0.5λ＜d₁＜1.5λ，得到0.5λ＜2πRcosθ₁/P＜1.5λ，得到俯仰角θ₁的范围。

如图3所示，步骤S5对插入的n-2圈阵元进行俯仰角划分，包括如下两种方式：

方式一，使插入的n-2圈阵元均匀分布在θ₁和θ_n之间，保证相邻阵元之间的弧度相同，相邻两圈阵元之间的弧度差

方式二，使插入的n-2圈阵元在方式一中均匀分布方式的基础上，进行0.2λ范围内的调整,即相邻两圈阵元之间的弧度差Δθ_i满足：

且

如图4～5所示，所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，在各圈阵元布设完成后，还包括旁瓣电平调节步骤：

从n圈天线阵元中，选择一圈天线阵元进行小角度旋转，在减小球面相控阵天线的旁瓣电平的同时，削弱了两圈阵元间的互耦影响；当旋转角度为π/M_i时，旁瓣电平调节效果最好。

如图6～7所示，所述上半球面的顶部留空，以连接GPS天线或标校天线；

如图8所示，所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，在各圈阵元布设完成后，还包括负俯仰角阵元部署步骤，在球面坐标系中，选择若干个(x个)不同的负俯仰角，在若干个负俯仰角对应的下半球面位置均匀部署球面相控阵天线的阵元；以保证球面相控阵天线的正低仰角以及负仰角的增益。

如图9所示，为了进一步增强低仰角目标的增益，在球面布阵的基础上，所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，在各圈阵元布设完成后，还包括低仰角目标增益增强步骤：对俯仰角为θ_n＝0的剖面进行垂直拉伸，形成一段圆柱面，并在增加的圆柱面上重复部署X圈阵元，每圈阵元数量为M_n，其中X≥1。

如图10所示，在本申请的实施例，阵元部署完成后，可以根据P值将球面划分为P个完全相同的区域，便于加工制造，即通过采用模块化拼装方式完成天线骨架的搭建

在本申请的实施例中，给定的P值为4，天线频段为3.4～3.6GHz，布阵得到的球面相控天线如图11～12所示：增益要求为16dB，则球面相控阵天线的直径为0.4m，圈间夹角为18°，圈数为6圈，为阵元数：64；每圈俯仰角度(EI)分别为：72°、54°、36°、18°、0°、-18°，各圈阵元个数：4+8+12+12+16+12＝64；设计结果表明，每一圈都为P值(4)的倍数，只需要重复生产4块1/4的阵面，即可拼装出整个阵面。

综上，本发明结构简单，成本低，顶部专门设计，适合正方阵元，并且中心自然留空，方便GPS天线的部署，平均阵元间距与最高载频的波长相当，既兼顾了高频段阵元的波束旁瓣性能，又兼顾了阵元在低频段的互耦性能，适用于宽带球面阵列。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，例如天线直径、工作频率等具体参数变化等。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种球面相控阵天线的布阵方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.根据天线的增益需求G：

确定球面相控阵天线的半径R:

式中，G表示天线增益要求，λ表示天线最高频点对应的波长，λ＝c/f_max，f_max为最高频点频率，c表示电磁波传播速度；η是球面相控阵天线的天线效率；A_e表示有效的天线面积，A_e＝ηπR²；

S2.以球心为原点建立球坐标系，给定上半球面第1圈阵元的个数P，计算对应的俯仰角θ₁，使得第1圈阵元两两之间距离处于0.5λ～1.5λ之间，其中P为不小于3的整数；

S3.在俯仰角为θ_n＝0的球面位置部署第n圈阵元；

S4.在第1圈阵元和第n圈阵元之间插入n-2圈阵元，确定n-2的取值为：

n-2＝round[(R×θ₁)/λ]-1；

式中，round表示在小数第一位进行四舍五入计算；

S5.对插入的n-2圈阵元进行俯仰角划分，确定上半球面每一圈阵元的俯仰角θ₁、θ₂…θ_n，令相邻两圈阵元之间的弧度差Δθ_i＝θ_i-θ_i+1,i＝1,2,3,...,n-1，则Δθ_i需满足：

S6.在第2圈阵元到第n圈阵元中，根据任一圈阵元所对应的俯仰角θ_i,i＝2,3,...,n，计算该圈阵元的阵元数目：

其中，S_i＝2πR cos(θ_i)，表示俯仰角θ_i所对应第i圈阵元的周长；

S7.在第1圈阵元到第n圈阵元中，根据计算得到的每一圈阵元数目，将该圈的阵元均匀布设于对应的俯仰角上。

2.根据权利要求1所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，其特征在于：所述的步骤S2中，根据第1圈阵元的个数P，计算对应的俯仰角θ₁的过程包括：

获取第一圈阵元两两之间的间距d₁与俯仰角θ₁的关系：第1圈阵元的半径R₁＝R cosθ₁，第1圈阵元的周长L₁＝2πR₁＝2πR cosθ₁，第一圈阵元两两之间的间距d₁＝L₁/P＝2πR cosθ₁/P；

根据0.5λ＜d₁＜1.5λ，得到0.5λ＜2πR cosθ₁/P＜1.5λ，得到俯仰角θ₁的范围。

3.根据权利要求1所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，其特征在于：所述步骤S5中，对插入的n-2圈阵元进行俯仰角划分，包括如下两种方式：

方式一，使插入的n-2圈阵元均匀分布在θ₁和θ_n之间，保证相邻阵元之间的弧度相同，相邻两圈阵元之间的弧度差

方式二，使插入的n-2圈阵元在方式一中均匀分布方式的基础上，进行0.2λ范围内的调整,即相邻两圈阵元之间的弧度差Δθ_i满足：

且

4.根据权利要求1所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，其特征在于：还包括旁瓣电平调节步骤：

从n圈天线阵元中，选择一圈天线阵元进行小角度旋转，在减小球面相控阵天线的旁瓣电平的同时，削弱了两圈阵元间的互耦影响。

5.根据权利要求1所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，其特征在于：所述上半球面的顶部留空，以连接GPS天线或标校天线。

6.根据权利要求1所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，其特征在于：还包括负俯仰角阵元部署步骤，在球面坐标系中，选择若干个不同的负俯仰角，在若干个负俯仰角对应的下半球面位置均匀部署球面相控阵天线的阵元，以保证球面相控阵天线的正低仰角以及负仰角的增益。

7.根据权利要求1所述的一种球面相控阵天线的布阵方法，其特征在于：还包括低仰角目标增益增强步骤：对俯仰角为θ_n＝0的剖面进行垂直拉伸，形成一段圆柱面，并在增加的圆柱面上重复部署X圈阵元，每圈阵元数量为M_n，其中X≥1。

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