CN109818157A - 一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法，其包括以下步骤：S1、根据天线规模以熵最大为条件排布不规则子阵；S2、使功分器输入端口通过等长度的带状线与T/R组件端口一一对应连接；S3、获取各个子阵的有源方向图；S4、根据各个子阵的有源方向图进行幅相加权综合出总体方向图，并对总体方向图进行优化，构建完成基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列。本发明的整个馈电网络均采用带状线的形式，加工在多层微波电路板内，几乎不增加整个阵列的剖面高度，却能够实现端口功率分配，且保证了各个输出端口幅度相位的一致性。本发明克服了紧耦合阵列单元间距小于半波长的缺点，利于工程应用，适用性强。

Description

一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法。

背景技术

相控阵天线因能够通过改变相位以实现波束扫描，在雷达和通信领域中得到了广泛的应用，但同时由于每个单元都需要连接一个T/R组件，大大增加了天线制造成本。上世纪八九十年代，采用稀疏阵的组织架构，但增益下降显著，不利于工程实现。R.J.Mailloux，Andrea Massa等人提出了采用不规则子阵的方法来实现T/R组件缩减，这种方案的优势在于在节省T/R组件的同时，增益下降并不是很明显，但由于优化问题过于复杂，他们的方案只能实现一维扫描，在工程上适用性较差。申请号为CN107230843A的专利中采用了类似的方案，实现了二维扫描，但是扫描性能不强，两个单元组成的子阵在20×20的阵面下以0.7个波长间距布阵，只能实现±20°的二维扫描，该方案还没有完全发挥不规则子阵的扫描优势，在工程上适用性较差。申请号为CN108808266A的专利中提出了基于最大熵原则的不规则子阵排布方法，但针对的是四维天线阵，需要在时间维组阵，而且也没有提出具体的工程实现方案。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法解决了现有不规则子阵排布方法适用性差的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法，其包括以下步骤：

S1、根据天线规模以熵最大为条件排布不规则子阵；

S2、获取与每个不规则子阵相连接的功分器输入端口的位置，使功分器输入端口通过等长度的带状线与T/R组件端口一一对应连接；

S3、获取功分器输入端口与T/R组件端口连接后各个子阵的有源方向图；

S4、根据各个子阵的有源方向图进行幅相加权综合出总体方向图，并对总体方向图进行优化，构建完成基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列。

进一步地，步骤S1的具体方法为：

根据天线单元形式确定天线阵列规模，根据天线规模以熵最大为条件确定不规则子阵排布方案，其优化目标及约束条件分别为：

H^max表示当前天线阵列口径(M×N)下熵值的上限；I_kl表示在坐标(k，l)处的贴片形式，k∈(1,2，...，M),l∈(1,2，...，N)；t＝1表示水平的二联网格，t＝2表示竖直的二联网格；x^t _mn为状态参数，m∈(1,2，...，M),n∈(1,2，...，N)，若x^t _mn＝1，则表示在坐标(m，n)处存在一个水平或竖直的二联网格；若x^t _mn＝0，则表示在坐标(m，n)处不存在水平或竖直的二联网格；R_p表示重心在第p行的二联网格集合，r_p表示所有重心在第p行的二联网格数量；C_q表示重心在第q行的二联网格集合，c_q表示所有重心在第q行的二联网格数量；T表示所有二联网格数；表示全集；表示整数。

进一步地，步骤S2的具体方法为：

以对应端口之间直线距离的极差最小为目标，将天线单元输入端口作为功分器的输出端口，使功分器输入端口通过等长度的带状线与T/R组件端口一一对应连接。

进一步地，以对应端口之间直线距离的极差最小为目标的具体公式为：

min:max{L_corrspond}-min{L_corrspond}

其中和分别表示第a个T/R组件端口的横纵坐标；和分别表示第b个功分器输入端口的横纵坐标；和分别表示第b个功分器所对应的子阵中心的横纵坐标；表示第a个T/R组件端口到第b个功分器输入端口的直线距离，L_corrspond表示每个功分器输入端口的位置与T/R组件端口对应的直线距离的集合，d表示天线单元的间距；k_b为选值参数。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

分别将单个子阵端口的激励幅度设为1w，其他端口设置为0w，提取三维方向图数据，进而得到单个子阵的有源方向图，即得到各个子阵的有源方向图。

进一步地，步骤S4的具体方法包括以下子步骤：

S4-1、根据公式

得到总体方向图其中为第v个子阵的有源方向图，s_v和α_v分别为第v个子阵的激励幅度和相位；e为常数；N_v为第v个子阵内的单元数；β为自由空间的波数；x_vw和y_vw分别为第v个子阵内的第w个单元中心的横纵坐标；θ和均为极化变量；X表示子阵数；j为虚数；

S4-2、根据公式

对总体方向图进行优化，得到优化后的总体方向图其中Θ_sidelobe表示中心频率下归一化场分布的副瓣区域；π为180°；θ_side和均为中心频率下归一化场分布的副瓣区域中的极化变量，θ_side∈θ，

本发明的有益效果为：本发明的整个馈电网络均采用带状线的形式，加工在多层微波电路板内，几乎不增加整个阵列的剖面高度，却能够实现端口功率分配，且保证了各个输出端口幅度相位的一致性。本发明在6-18GHz(3倍频程)宽频带范围内实现了±45°扫描，同时只用了一半的T/R组件且增益损失较少。仅从输入端口看，端口间距大约为0.66个高频波长，克服了紧耦合阵列单元间距小于半波长的缺点，利于工程应用，适用性强。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为天线单元在阵列环境下的仿真结果示意图；

图3为功分器在阵列环境下的仿真结果示意图；

图4为根据天线规模以熵最大为条件所确定的不规则子阵排布方案示意图；

图5为HFSS模型中功分器及补偿线的位置平面图；

图6为馈电网络结构示意图；

图7为18GHz D面扫描到45°的二维方向图；

图8为18GHz H面扫描到30°,45°的二维方向图；

图9为18GHz D面扫描到30°,45°的二维方向图；

图10为6GHz侧射时的二维方向图；

图11为不规则子阵阵列构架示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法包括以下步骤：

S1、根据天线规模以熵最大为条件排布不规则子阵；

S2、获取与每个不规则子阵相连接的功分器输入端口的位置，使功分器输入端口通过等长度的带状线与T/R组件端口一一对应连接；

S3、获取功分器输入端口与T/R组件端口连接后各个子阵的有源方向图；

S4、根据各个子阵的有源方向图进行幅相加权综合出总体方向图，并对总体方向图进行优化，构建完成基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列。

步骤S1的具体方法为：根据天线单元形式确定天线阵列规模，根据天线阵列规模以熵最大为条件确定不规则子阵排布方案，其优化目标及约束条件分别为：

H^max表示当前天线阵列口径(M×N)下熵值的上限；I_kl表示在坐标(k，l)处的贴片形式，k∈(1,2，...，M),l∈(1,2，...，N)；t＝1表示水平的二联网格，t＝2表示竖直的二联网格；x^t _mn为状态参数，m∈(1,2，...，M),n∈(1,2，...，N)，若x^t _mn＝1，则表示在坐标(m，n)处存在一个水平或竖直的二联网格；若x^t _mn＝0，则表示在坐标(m，n)处不存在水平或竖直的二联网格；R_p表示重心在第p行的二联网格集合，r_p表示所有重心在第p行的二联网格数量；C_q表示重心在第q行的二联网格集合，c_q表示所有重心在第q行的二联网格数量；T表示所有二联网格数；表示全集；表示整数。

步骤S2的具体方法为：以对应端口之间直线距离的极差最小为目标，将天线单元输入端口作为功分器的输出端口，使功分器输入端口通过等长度的带状线与T/R组件端口一一对应连接。

以对应端口之间直线距离的极差最小为目标的具体公式为：

min:max{L_corrspond}-min{L_corrspond}

其中和分别表示第a个T/R组件端口的横纵坐标；和分别表示第b个功分器输入端口的横纵坐标；和分别表示第b个功分器所对应的子阵中心的横纵坐标；表示第a个T/R组件端口到第b个功分器输入端口的直线距离，L_corrspond表示每个功分器输入端口的位置与T/R组件端口对应的直线距离的集合，d表示天线单元的间距；k_b为选值参数。

步骤S3的具体方法为：分别将单个子阵端口的激励幅度设为1w，其他端口设置为0w，提取三维方向图数据，进而得到单个子阵的有源方向图，即得到各个子阵的有源方向图。

步骤S4的具体方法包括以下子步骤：

S4-1、根据公式

得到总体方向图其中为第v个子阵的有源方向图，s_v和α_v分别为第v个子阵的激励幅度和相位；e为常数；N_v为第v个子阵内的单元数；β为自由空间的波数；x_vw和y_vw分别为第v个子阵内的第w个单元中心的横纵坐标；θ和均为极化变量；X表示子阵数；j为虚数；

S4-2、根据公式

对总体方向图进行优化，得到优化后的总体方向图其中Θ_sidelobe表示中心频率下归一化场分布的副瓣区域；π为180°；θ_side和均为中心频率下归一化场分布的副瓣区域中的极化变量，θ_side∈θ，

在本发明的一个实施例中，天线单元设计的输入特征阻抗为100Ω，天线规模采用M＝12，N＝12的方阵，并在每个角挖去一个2×2小子阵，总共阵列规模为128个天线单元(每个天线单元尺寸为0.44λ_h×0.44λ_h)，其对应的天线单元和功分器在阵列环境下的仿真结果如图2和图3所示，根据天线规模以熵最大为条件确定不规则子阵排布方案，得到如图4所示的排布方案。由于一个子阵内的天线单元馈电幅度相位一致，因此每个子阵都需要一个一分二功分器，功分器的输出端口即为天线单元输入端口，由于到天线端口的相位要保持一致，因此功分器的输入端口到T/R组件端口(图4中画×的位置)的连接线长度要保证一致，故采用带状线的形式将功分器的输入端口与T/R组件端口一对一连接，同时连接线采用弧线的形式以实现长度相同，单个子阵的模型示意图如图5所示。不规则子阵阵列架构示意图如图11所示。

接着将各个功分器以及相位补偿线进行隔离，得到如图6所示的馈电网络示意图。对进行了功分器以及相位补偿线进行隔离的整体阵列进行仿真，根据整体阵列的仿真结果，获取各个端口的单元方向图，并进行方向图综合，合成总体方向图。利用差分进化算法优化激励幅度和激励相位对总体方向图进行优化，得到如表1所示的在18GHz的阵列方向图结果。图7、图8和图9为具体阵列方向图，从图中可看出本方法在D面依旧有较好的扫描能力。

表1：天线阵列在18GHz时的扫描性能

表1中Gain_reference表示同样的阵面规模下全1激励时的阵列增益，由表1中可以发现，在扫描角度较小时，基本上能保证与全1激励时的阵列增益基本一致；随着扫描角的增大，天线增益在下降较多，但在大扫描角时依然保证增益损失在2dB以内。

如图10所示，由于本实施例中阵列规模较小，在6GHz只综合了在侧射时的阵列方向图，得到一个增益为16.3dB、副瓣为-22dB的阵列方向图。由于紧耦合天线具有截断效应，导致其边缘单元的驻波性能较差，因此本实施例中的天线阵列的周围又加入了两圈哑元，哑元馈电幅度为0，端口匹配负载，本实施例中计算的阵列增益为整个天线的增益。

在实施例中，本发明在天线阵列底层以下设计了两层微波电路，由于采用带状线的形式，因此共四层基板，上层电路主要是为将子阵内的天线单元一同馈电，设计了64个一分二功分器，下层电路主要是为了各个功分器输入相位一致，对功分器进行相位补偿。本发明使得天线阵列在节省一半的T/R组件的情况下同时能够在空间内有较好的扫描性能。

综上所述，本发明的整个馈电网络均采用带状线的形式，加工在多层微波电路板内，几乎不增加整个阵列的剖面高度，却能够实现端口功率分配，且保证了各个输出端口幅度相位的一致性。本发明在6-18GHz(3倍频程)宽频带范围内实现了±45°扫描，同时只用了一半的T/R组件且增益损失较少。仅从输入端口看，端口间距大约为0.66个高频波长，克服了紧耦合阵列单元间距小于半波长的缺点，利于工程应用，适用性强。

Claims (6)

1.一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据天线规模以熵最大为条件排布不规则子阵；

S2、获取与每个不规则子阵相连接的功分器输入端口的位置，使功分器输入端口通过等长度的带状线与T/R组件端口一一对应连接；

S3、获取功分器输入端口与T/R组件端口连接后各个子阵的有源方向图；

S4、根据各个子阵的有源方向图进行幅相加权综合出总体方向图，并对总体方向图进行优化，构建完成基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列。

2.根据权利要求1所述的基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法为：

根据天线单元形式确定天线阵列规模，根据天线阵列规模以熵最大为条件确定不规则子阵排布方案，其优化目标及约束条件分别为：

H^max表示当前天线阵列口径(M×N)下熵值的上限；I_kl表示在坐标(k，l)处的贴片形式，k∈(1,2，...，M),l∈(1,2，...，N)；t＝1表示水平的二联网格，t＝2表示竖直的二联网格；x^t _mn为状态参数，m∈(1,2，...，M),n∈(1,2，...，N)，若x^t _mn＝1，则表示在坐标(m，n)处存在一个水平或竖直的二联网格；若x^t _mn＝0，则表示在坐标(m，n)处不存在水平或竖直的二联网格；R_p表示重心在第p行的二联网格集合，r_p表示所有重心在第p行的二联网格数量；C_q表示重心在第q行的二联网格集合，c_q表示所有重心在第q行的二联网格数量；T表示所有二联网格数；表示全集；表示整数。

3.根据权利要求2所述的基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法为：

以对应端口之间直线距离的极差最小为目标，将天线单元输入端口作为功分器的输出端口，使功分器输入端口通过等长度的带状线与T/R组件端口一一对应连接。

4.根据权利要求3所述的基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法，其特征在于，所述以对应端口之间直线距离的极差最小为目标的具体公式为：

min:max{L_corrspond}-min{L_corrspond}

其中和分别表示第a个T/R组件端口的横纵坐标；和分别表示第b个功分器输入端口的横纵坐标；和分别表示第b个功分器所对应的子阵中心的横纵坐标；表示第a个T/R组件端口到第b个功分器输入端口的直线距离，L_corrspond表示每个功分器输入端口的位置与T/R组件端口对应的直线距离的集合，d表示天线单元的间距。

5.根据权利要求4所述的基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

分别将单个子阵端口的激励幅度设为1w，其他端口设置为0w，提取三维方向图数据，进而得到单个子阵的有源方向图，即得到各个子阵的有源方向图。

6.根据权利要求5所述的基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法，其特征在于，所述步骤S4的具体方法包括以下子步骤：

S4-1、根据公式

得到总体方向图其中为第v个子阵的有源方向图，s_v和α_v分别为第v个子阵的激励幅度和相位；e为常数；N_v为第v个子阵内的单元数；β为自由空间的波数；x_vw和y_vw分别为第v个子阵内的第w个单元中心的横纵坐标；θ和均为极化变量；X表示子阵数；j为虚数；

S4-2、根据公式

对总体方向图进行优化，得到优化后的总体方向图其中Θ_sidelobe表示中心频率下归一化场分布的副瓣区域；π为180°；θ_side和均为中心频率下归一化场分布的副瓣区域中的极化变量，θ_side∈θ，