CN109037920B - 一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线 - Google Patents

一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线及其组阵方法，根据阵面规模计算蜂窝数量与蜂窝内天线单元数量；生成各蜂窝坐标点，蜂窝天线阵中各蜂窝紧密排布；生成蜂窝内的随机子阵，即子阵圆；将子阵圆随机旋转安装在各蜂窝内；代入天线单元平均方向图计算蜂窝天线阵方向图；重复以上步骤，直到得到符合条件的布阵结果。本发明的子阵圆内天线单元随机分布与子阵可随机旋转共同作用产生了天线单元分布随机性很强的天线阵，有效破坏了方向图扫描栅瓣在辐射空间中的叠加，削弱了扫描栅瓣。

Description

一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线
技术领域
本发明涉及一种有源相控阵雷达技术，尤其涉及的是一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线及其组阵方法。
背景技术
随着现代雷达技术的飞速发展，雷达在对空间的监视与探测、战区预警及攻击评估、战斗操作预案与作战计划等方面的需求要求有源相控阵天线向电大尺寸以宽带工作的方向发展 (电尺寸为天线物理尺寸相对于工作频率波长的尺寸)以提高雷达分辨力、威力等系统性能。虽然随着科技发展和工艺进步，相控阵雷达的造价虽然有了大幅度的下降，但仍令人望而生畏，庞大的设备及其用电量是一个影响相控阵应用的重要因素。如何在不影响阵列天线方向图性能的前提下使有源通道稀疏化成为了需要解决的难题。
在目前使用较多的相控阵雷达系统中，常用的有源通道稀疏化的方法有：有限视场扫描、稀疏阵、不规则子阵、随机阵等。有限视场扫描相控阵天线增大天线单元间的间距，牺牲天线阵的扫描能力以达到稀疏有源通道的目的，此方法应用范围窄且有源通道稀疏化比例有限；稀疏阵则将天线单元进行一定比例稀疏化，此方法可大比例稀疏天线单元和有源通道数，并且有效抑制扫描栅瓣，但是稀疏阵设计方法难度大，且稀疏后的天线阵形状各异难以加工、装配、定位；运用不规则子阵打破子阵排布周期性也可实现稀疏有源通道，抑制扫描栅瓣，但是不规则子阵组成难度大，对于大型有源相控阵工程上亦不好实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：将蜂窝抽象成正六边形结构，能够有效的抑制扫描栅瓣，提供了一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线及其组阵方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明的一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线，所述天线为蜂窝天线阵，包括多个紧密排布的蜂窝、子阵圆、天线单元，所述天线单元有多个，分布在子阵圆内，所述子阵圆为蜂窝的内切圆，所述子阵圆旋转安装在蜂窝内。
所述子阵圆内天线单元数量为100～200。即不影响扫描栅瓣抑制效果，也保证了工程实施难度。
所述子阵圆的外部连接有定位条，所述蜂窝上的对应的位置上设置有定位条插口。
所述蜂窝天线阵排布为正方形、矩形或六边形。根据工程需要，蜂窝天线阵中各蜂窝紧密排布，在确定蜂窝天线阵排布形式后，由各个蜂窝形状的相邻之间关系可以推算出天线阵内各蜂窝坐标点，计算生成各蜂窝坐标点。
一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线组阵方法，包括以下步骤：
(1)根据阵面规模计算蜂窝数量与蜂窝内天线单元数量；
(2)生成各蜂窝坐标点，蜂窝天线阵中各蜂窝紧密排布；
(3)生成蜂窝内的随机子阵，即子阵圆；
(4)将子阵圆随机旋转安装在各蜂窝内；
(5)代入天线单元平均方向图计算蜂窝天线阵方向图；
(6)重复以上步骤，直到得到符合条件的布阵结果。
所述步骤(3)中，子阵圆的生成过程如下：
选择天线单元间最小间距Dmin，在子阵圆范围内随机生成第一个点P0，然后随机生成下一个点Pi，i＝1～N-1，N为子阵圆内最大数量，判断Pi与子阵圆内已有点的最小距离是否大于 Dmin，若不是则继续随机生成Pi，若是则生成下一个点Pi+1直至结束。
所述步骤(5)中，将平均方向图带入远场计算公式计算蜂窝天线阵方向图：
所述远场计算公式为：
Figure BDA0001768780790000021
其中，
Figure BDA0001768780790000022
θ为球坐标系俯仰角，
Figure BDA0001768780790000023
为求坐标系方位角，θm为俯仰扫描角，
Figure BDA0001768780790000024
为方位扫描角，
Figure BDA0001768780790000025
为单元方向图函数，Imn为单元激励，xmn为单元的x坐标，ymn为单元的y坐标。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的子阵圆内天线单元随机分布与子阵可随机旋转共同作用产生了天线单元分布随机性很强的天线阵，有效破坏了方向图扫描栅瓣在辐射空间中的叠加，削弱了扫描栅瓣。
正六边形蜂窝与子阵圆契合度较强，与正方形相比可以减少子阵间的空白区域，避免过多的空间浪费，减小量化瓣的量级。
利用典型天线单元的平均方向图代入计算蜂窝天线阵方向图，在保证了计算准确性的同时简化了计算工作量，提高了工作效率。
由于蜂窝天线阵对扫描栅瓣的削弱能力强，可以减少宽角扫描有源相控阵的通道数量，节约系统成本。
附图说明
图1是本发明的基于蜂窝骨架的有源相控阵组阵方法流程图；
图2是正六边形蜂窝与相邻蜂窝坐标点关系图；
图3是单个蜂窝内随机子阵示意图；
图4是蜂窝骨架与子阵圆安装示意图；
图5是蜂窝天线阵示意图；
图6是蜂窝天线阵的骨架示意图；
图7是蜂窝天线阵的单个蜂窝示意图；
图8是蜂窝天线阵的扫描方向图示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
(1)根据阵面规模计算蜂窝数量与蜂窝内天线单元2数量；
(2)生成各蜂窝坐标点，蜂窝天线阵中各蜂窝紧密排布；
(3)生成蜂窝内的随机子阵，即子阵圆3；
(4)将子阵圆3随机旋转安装在各蜂窝内；
(5)代入天线单元2平均方向图计算蜂窝天线阵方向图；
(6)重复以上步骤，直到得到符合条件的布阵结果。
蜂窝天线阵对扫描栅瓣抑制效果主要是蜂窝内天线单元2随机分布与子阵圆3旋转安装共同作用。子阵圆3内单元数过少会引起天线单元2分布随机性不足，对扫描栅瓣抑制效果不好，因此需要根据蜂窝天线阵实际规模计算蜂窝数量与蜂窝内天线单元2数量，保证较好的扫描栅瓣抑制效果。蜂窝内天线单元2数量优先选择100到200之间，即不影响扫描栅瓣抑制效果，也保证了工程实施难度。
如图2所示，蜂窝天线阵排布为正六边形。根据工程需要，蜂窝天线阵中各蜂窝紧密排布，在确定蜂窝天线阵排布形式后，由各个蜂窝形状的相邻之间关系可以推算出天线阵内各蜂窝坐标点，计算生成各蜂窝坐标点。正六边形蜂窝1的中心点为蜂窝坐标点11，正六边形蜂窝1的对角线为直线14，而正六边形蜂窝1外的相邻正六边形蜂窝1的中心点为相邻蜂窝坐标点12。蜂窝坐标点11和相邻蜂窝坐标点12之间的距离为蜂窝对角线14长度的
Figure BDA0001768780790000031
倍。
如图3所示，子阵圆3的生成过程如下：选择天线单元2间最小间距Dmin，在子阵圆3范围内随机生成第一个点P0，然后随机生成下一个点Pi，i＝1～N-1，N为子阵圆3内最大数量，判断Pi与子阵圆3内已有点的最小距离是否大于Dmin，若不是则继续随机生成Pi，若是则生成下一个点Pi+1直至结束。
子阵中的天线单元2随机分布形成正六边形的内切圆称为子阵圆3，子阵圆3是正六边形蜂窝1的内切圆，子阵的设计与安装可以采用框架与子阵圆3分离的形式，方便子阵圆3 安装时进行旋转，这种子阵圆3旋转的安装方式进一步破坏了蜂窝天线阵内部天线单元2分布的周期，到达削弱扫描栅瓣的目的。
如图4所示，子阵圆3的外部连接有定位条31，所述正六边形蜂窝1上的对应的位置上设置有定位条插口13。
代入天线单元2平均方向图计算蜂窝天线阵方向图5。在蜂窝天线阵方向图进行计算需要利用平面阵方向图远场计算公式。
远场计算公式为：
Figure BDA0001768780790000041
其中，
θ为球坐标系俯仰角，
Figure BDA0001768780790000043
为求坐标系方位角，θm为俯仰扫描角，
Figure BDA0001768780790000044
为方位扫描角，
Figure BDA0001768780790000045
为单元方向图函数，Imn为单元激励，xmn为单元的x坐标，ymn为单元的y坐标。
从公式中可以看出，计算时需要代入各天线单元2的方向图，由于子阵圆3内天线单元 2为随机分布，所以各天线单元2边界条件的不同导致其方向图也有异于常用的cosine单元因子。为了得到准确的蜂窝天线阵方向图，同时简化计算工作量，可以在高频仿真软件中计算子阵圆3中典型位置的天线单元2方向图，取这些典型单元方向图的平均值作为通用的单元因子代入计算公式，可计算得到较为准确的蜂窝天线方向图。
重复以上步骤，直到得到符合条件的布阵结果6。此步骤的实施是为了确保不会子阵圆3 内天线单元2分布不够随机或者子阵圆3旋转不够随机的情况，导致蜂窝天线阵方向图不能达到系统的指标要求。
如图5所示，设计一个天线单元2数量7400以内的蜂窝天线阵，选取蜂窝数量37个，子阵圆3内天线单元2数量小于200，天线单元2最小间距Dmin为0.8个工作波长，蜂窝天线阵为六边形形式，生成各蜂窝坐标点后，蜂窝排布见图6。生成天线单元2随机分布的单个蜂窝，见图7。选取子阵圆3内6个典型位置的天线单元2，取其平均方向图代入远场计算公式计算蜂窝天线阵方向图，见图8。方向图扫描60度时栅瓣小于-20分贝，满足系统使用要求，设计结束。
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)

1.一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线，其特征在于，所述天线为蜂窝天线阵，包括多个紧密排布的蜂窝、子阵圆、天线单元，所述天线单元有多个，分布在子阵圆内，所述子阵圆为蜂窝的内切圆，所述子阵圆旋转安装在蜂窝内；
所述基于蜂窝骨架的有源相控阵天线的组阵方法，包括以下步骤：
(1)根据阵面规模计算蜂窝数量与蜂窝内天线单元数量；
(2)生成各蜂窝坐标点，蜂窝天线阵中各蜂窝紧密排布；
(3)生成蜂窝内的随机子阵，即子阵圆，
子阵圆的生成过程如下：
选择天线单元间最小间距Dmin，在子阵圆范围内随机生成第一个点P0，然后随机生成下一个点Pi，i＝1～N-1，N为子阵圆内最大数量，判断Pi与子阵圆内已有点的最小距离是否大于Dmin，若不是则继续随机生成Pi，若是则生成下一个点Pi+1直至结束；
(4)将子阵圆随机旋转安装在各蜂窝内；
(5)代入天线单元平均方向图计算蜂窝天线阵方向图；
(6)重复以上步骤，直到得到符合条件的布阵结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线，其特征在于，所述子阵圆内天线单元数量为100～200。
3.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线，其特征在于，所述子阵圆的外部连接有定位条，所述蜂窝上的对应的位置上设置有定位条插口。
4.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线，其特征在于，所述蜂窝天线阵排布为正方形、矩形或六边形。
5.根据权利要求1所述的一种基于蜂窝骨架的有源相控阵天线，其特征在于，其特征在于，所述步骤(5)中，将平均方向图带入远场计算公式计算蜂窝天线阵方向图：
所述远场计算公式为：
Figure FDA0002286755870000011
其中，
Figure FDA0002286755870000012
θ为球坐标系俯仰角，
Figure FDA0002286755870000013
为求坐标系方位角，θm为俯仰扫描角，φm为方位扫描角，
Figure FDA0002286755870000014
为单元方向图函数，Imn为单元激励，xmn为单元的x坐标，ymn为单元的y坐标。
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