CN109165466B - 一种大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法。其方法为：1)根据波长系数典型值计算大型紧耦合阵列对应的最小特征阵的规模。2)在电磁仿真软件中建立最小特征阵模型，其然后对最小特征阵进行全波仿真，得到各个阵元的有源驻波。3)对最小特征阵规模进行验证。4)大型阵列与最小特征阵中相应位置的阵元性能进行等效，中心阵元性能可与周期边界阵元等效，从而得到大型阵列中各个阵元的有源驻波。本发明在避免对大阵进行全波仿真解决计算时间和资源受限问题的同时可以较为快速、准确地得到大型紧耦合阵列各个阵元的有源驻波，从而指导大型紧耦合阵列的设计。

Description

一种大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法
技术领域
该发明涉及相控阵天线领域，具体涉及一种大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法。
背景技术
在宽带宽角阵列的设计中，考虑“栅瓣”与“阵元间距”的矛盾和阵元间的耦合，大多采用紧耦合阵列形式，其利用阵元间耦合使阵列达到宽频带性能。与普通阵列相比，紧耦合阵列的阵元间具有更强的耦合，这导致阵列中不同位置的阵元有源驻波形态各异。对于大功率发射阵来说，工程上有源驻波是一个很重要的指标。如果驻波性能太差，端口处反射严重，将会损坏功放。所以需要每一个阵元，包括扫描状态下的有源驻波达到指标。
为了得到大型紧耦合阵列中各个阵元的有源驻波，目前公开发表的文献中一般采用以下两种方法：
1)利用电磁仿真软件对整个阵列进行全波仿真，得到各个阵元的有源驻波。该方法受到计算时间和计算机计算能力的限制。
2)在电磁仿真软件中，对单元或者某一方向线阵设置周期边界，以其有源驻波评估大型阵列有源驻波。这种方法对于距离边缘较远的阵元的评估较为准确，但是位于边缘的阵元由于缺少一部分耦合，其有源驻波与该方法所得结果会有较大差异。
因此，针对上述问题，有必要提出一种高效准确的大型紧耦合阵列的有源驻波评估方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法，能够准确高效地评估大型紧耦合阵列中各个阵元的有源驻波，从而指导大型紧耦合阵列的设计，提高设计效率，降低设计难度。
本发明的大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法包括如下步骤：
步骤1，根据具体的天线形式及布阵形式的波长系数典型值计算大型紧耦合阵列对应的最小特征阵的规模，其中最小特征阵是指反映大型紧耦合阵列性能的最小规模阵列；
步骤2，在电磁仿真软件中建立最小特征阵模型，然后对最小特征阵进行全波仿真，得到各个阵元的有源驻波；并对大型紧耦合阵列中的任一单元天线设置周期边界，仿真得到其驻波；其中，最小特征阵模型中的单元天线形式、阵元间距及布阵形式均与大型紧耦合阵列相同；
步骤3，对最小特征阵规模进行验证，若验证符合要求，则转入步骤4，否则，调整波长系数，转入步骤1；
步骤4，将大型紧耦合阵列的边缘阵元性能分别与最小特征阵中相应位置的阵元性能进行等效，将大型紧耦合阵列的中心阵元性能均与周期边界阵元性能进行等效，得到大型紧耦合阵列中各个阵元的有源驻波；
完成大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估。
其中，步骤1中波长系数典型值根据具体的天线形式及布阵形式选取范围为0.8～1.5。
其中，步骤3中对最小特征阵规模进行验证，具体为：
对比最小特征阵的中心阵元有源驻波是否与设置的周期边界的阵元驻波相符。
本发明相比现有技术的有益效果为：
本发明用一个可进行全波仿真的小型阵列的有源驻波来快速、准确地评估大型紧耦合阵列各个阵元的有源驻波，避免了大型阵列的全波仿真，解决了计算时间和资源受限的问题，从而指导大型紧耦合阵列的设计，提高设计效率，降低设计难度。
附图说明
图1是本发明流程图。
图2是本发明的线阵等效关系示意图。
图3是本发明的面阵等效关系示意图。
图4是本发明实施例中紧耦合Vivaldi阵列模型示意图。
图5是本发明实施例中16×16阵列与11×7阵列的等效关系示意图。
图6是本发明实施例中11×7阵列的中间阵元与周期边界阵元有源回波仿真对比图。
图7是本发明实施例中16×16阵列的中间阵元与周期边界阵元有源回波仿真对比图。
图8是本发明实施例中16×16阵列边缘阵元与11×7阵列中对应位置的边缘阵元有源回波仿真对比图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明。
本发明提出了一种大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法，如图1所示，具体步骤如下：
(1)计算大型紧耦合阵列对应的最小特征阵的规模，其中最小特征阵是指可以反映大型阵列性能的最小规模阵列。
①若大型紧耦合阵列规模为N元线阵，最小特征阵为M元线阵，取
Figure BDA0001805825750000031
Figure BDA0001805825750000032
其中，a为波长的系数，a∈[0.8,1.5],a的具体取值根据具体的天线形式及布阵形式确定；λmax为最低频率对应的波长；d为阵元间距；N＞M。
②若大型紧耦合阵列的规模为R×L(R和L分别为行数和列数，一般为大于15的自然数)；最小特征阵的规模为P×Q，根据特征阵规模选取的经验，取
Figure BDA0001805825750000033
Figure BDA0001805825750000034
其中，a、b为波长的系数，a,b∈[0.8,1.5],a和b的具体取值根据具体的天线形式及布阵形式确定；λmax为最低频率对应的波长；d为阵元间距；R＞P，L＞Q。
(2)在电磁仿真软件中建立最小特征阵模型，然后对最小特征阵进行全波仿真，得到各个阵元的有源驻波；并对大型紧耦合阵列中的任一单元天线设置周期边界，仿真得到其驻波；其中，最小特征阵模型中的单元天线形式、阵元间距及布阵形式均与大型紧耦合阵列相同；
(3)对最小特征阵规模进行验证。
①若大型紧耦合阵列为N元线阵，对比(2)中最小特征阵的第(N+1)/2个阵元有源驻波是否与设置相应周期边界的阵元驻波大致相符。
②若大型紧耦合阵列的规模为R×L，对比(2)中最小特征阵第(P+1)/2行，第(Q+1)/2列交叉处阵元有源驻波是否与设置相应周期边界的阵元驻波大致相符。
若相符，则说明此时的最小特征阵规模取值合适，可进行后续步骤；若不相符，则转入步骤1。根据天线具体形式和布阵方式调整最小特征阵规模，即重新选取合适的波长系数a和b，计算M或者P和Q的值。
(4)采用最小特征阵中阵元的有源驻波评估大型阵列中边缘相应位置阵元的有源驻波，采用周期边界阵元评估中心阵元的有源驻波，从而得到大型阵列中各个阵元的有源驻波。图2示出了N元线阵与其最小特征阵M元线阵的等效关系，箭头连接的两个阵元为相应位置阵元；图3示出了面阵等效关系，相同颜色的区域为相应位置可等效区域。中心阵元均可用设置相应周期边界的阵元来评估。
实施例1参见图4。图4为16×16紧耦合Vivaldi阵列模型示意图。下面用该发明的方法对0.9GHz～1.35GHz频段的有源驻波进行评估。阵元间距约为0.5λmin，即110mm；布阵形式为矩形布阵。根据天线具体形式和布阵方式，选取最小特征阵规模P×Q。由于Vivaldi阵列E面耦合较大，H面相对较小，取该类型阵列的波长系数典型值a＝0.9，b＝1.5，故最小特征阵E面边缘阵元排列长度为1.5λmax，H面边缘阵元排列长度为λmax，那么
Figure BDA0001805825750000041
Figure BDA0001805825750000042
对设置周期边界的单元和最小特征阵进行全波仿真。对比单元和第(P+1)/2行，第(Q+1)/2列(即第4行第6列)交叉处阵元的有源驻波。如图6所示，其中横轴为频率，纵轴为有源驻波的值，实线为最小特征阵中心阵元即第4行第6列交叉处阵元的有源驻波曲线，虚线为设置周期边界的阵元的有源驻波曲线。两者较为相符，说明最小特征阵规模合适，可以其各个阵元的有源驻波对16×16紧耦合阵列的有源驻波进行评估。两个阵列阵元对应关系图如图5所示。图7是实施例中16×16阵列的中间阵元与周期边界阵元有源回波仿真对比图，其中横轴为频率，纵轴为有源驻波的值，实线为设置周期边界的阵元的有源驻波曲线，“x-y”表示16×16阵列中第x行和第y列交叉处阵元。图8是实施例中16×16阵列边缘阵元与11×7阵列中对应位置的边缘阵元有源回波仿真对比图，(a)(b)(c)图中横轴均为频率，纵轴为有源驻波的值，“x-y(r*l)”表示r×l阵列中第x行第y列交叉处阵元”。(a)图为16×16大型阵列和其对应的最小特征阵11×7阵列中第1行第1列交叉处阵元的有源驻波对比图，(b)图为16×16阵列第2行第9列交叉处阵元和11×7阵列中第2行第5列交叉处阵元有源驻波对比图，(c)图为16×16阵列第6行第1列交叉处阵元和11×7阵列中第4行第1列交叉处阵元有源驻波对比图，其有源驻波均较为一致。
以上所述仅是本发明的一个实施例。应当指出，在不脱离本发明原理和构思的前提下，所做的修改、变化等，均应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据具体的天线形式及布阵形式的波长系数典型值计算大型紧耦合阵列对应的最小特征阵的规模，其中最小特征阵是指反映大型紧耦合阵列性能的最小规模阵列；
步骤2，在电磁仿真软件中建立最小特征阵模型，然后对最小特征阵进行全波仿真，得到各个阵元的有源驻波；并对大型紧耦合阵列中的任一单元天线设置周期边界，仿真得到其驻波；其中，最小特征阵模型中的单元天线形式、阵元间距及布阵形式均与大型紧耦合阵列相同；
步骤3，对最小特征阵规模进行验证，若验证符合要求，则转入步骤4，否则，调整波长系数，转入步骤1；
步骤4，将大型紧耦合阵列的边缘阵元性能分别与最小特征阵中相应位置的阵元性能进行等效，将大型紧耦合阵列的中心阵元性能均与周期边界阵元性能进行等效，得到大型紧耦合阵列中各个阵元的有源驻波；
完成大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估。
2.如权利要求1所述的大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法，其特征在于，步骤1中波长系数典型值根据具体的天线形式及布阵形式选取范围为0.8～1.5。
3.如权利要求1所述的大型紧耦合阵列有源驻波的快速评估方法，其特征在于，步骤3中对最小特征阵规模进行验证，具体为：
对比最小特征阵的中心阵元有源驻波是否与设置的周期边界的阵元驻波相符。
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