CN110011076A - 一种周期排列的稀疏阵列天线及排列方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种周期排列的稀疏阵列天线及排列方法，所述阵列天线包括S个天线周期结构，每个天线周期结构包括N1个发射天线和N2个接收天线；N1个发射天线排列成第一直线，N2个接收天线排列成第二直线，第一直线与第二直线平行，且第一直线位于第二直线的上方或下方；S个天线周期结构依次排列成阵列天线，阵列天线包括M个等效相位中心，且M个等效相位中心呈等间距直线排列，其中，阵列天线中任意一个接收天线和任意一个发射天线之间的中点为1个等效相位中心；其中，1‑S(N1+N2)/M＞0。因使用周期结构便于组成可重复利用的标准模块，有利于提高产品一致性，减少维修备件提高可维护性，降低产品全寿命成本。

Description

一种周期排列的稀疏阵列天线及排列方法

技术领域

本发明涉及阵列天线领域，尤其涉及一种周期排列的稀疏阵列天线及排列方法。

背景技术

目前的阵列天线布局主要为以下两种形式：

第一种天线布局方式，如图1所示，发射天线与接收天线为均匀排列，等效相位中心为d时，发射天线和接收天线间距为2d。第一种天线布局组成的阵列每2个天线为一个空间周期结构,每增加2个天线增加2个相位中心，阵列天线稀疏效率为(1-2/2)＝0，此阵列天线无稀疏效果。

第二种天线布局方式，如图2所示，当等效相位中心间距为d时，发射天线间距分别为2d、4d。由发射天线1～4和4个接收天线5～8组成9个相位中心9～17，稀疏效率(1-8/9)＝0.11。

由上述可知，第一种天线布局方式虽具有周期结构，每周期仅有2个收发天线，但没有稀疏效果。同样技术性能条件下所需的天线数量多，电路单元数量多，生产成本高。第二种天线布局方式为非周期结构，天线间距不使用周期结构，不便于使用多个相同的模块组成较大规模的稀疏阵列。如果使用案例2按周期排列组成较大规模的阵列天线，各模块之间也不会组合出新的相位中心，8天线稀疏效率0.11。

综上所述，现有的阵列天线布局方式存在没有周期结构、不便于使用多个相同的模块组成较大规模的稀疏阵列；没有稀疏效果，同样技术性能条件下所需的天线数量多，电路单元数量多，生产成本高等缺陷。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种周期排列的稀疏阵列天线。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种周期排列的稀疏阵列天线，包括：

S个天线周期结构，每个所述天线周期结构包括N1个发射天线和N2个接收天线。

N1个所述发射天线排列成第一直线，N2个所述接收天线排列成第二直线，所述第一直线与所述第二直线平行，且所述第一直线位于所述第二直线的上方或下方。

S个所述天线周期结构依次排列成所述阵列天线，所述阵列天线包括M 个等效相位中心，且M个所述等效相位中心呈等间距直线排列，其中，所述阵列天线中任意一个所述接收天线和任意一个所述发射天线之间的中点为1 个所述等效相位中心。

其中，1-S(N1+N2)/M＞0。

本发明的有益效果是，通过用S个天线周期结构组成阵列天线，因使用周期结构便于组成可重复利用的标准模块，有利于提高产品一致性，减少维修备件提高可维护性，降低产品全寿命成本。而且，在排布时通过用N1个发射天线和N2个接收天线组成一个天线周期结构，N1个发射天线排列成第一直线，N2个接收天线排列成第二直线，第一直线与第二直线平行，且第一直线位于第二直线的上方或下方；S个天线周期结构依次排列成阵列天线，阵列天线包括M个等效相位中心，且M个等效相位中心呈等间距直线排列，其中，阵列天线中任意一个接收天线和任意一个发射天线之间的中点为1个等效相位中心；其中，1-S(N1+N2)/M＞0，以使阵列天线具有有效的稀疏效率，进而用较少的天线数量和收发单元数量实现较高的空间分辨率、获得更小间隔的空间采样点，从而提高性能降低成本。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述天线周期结构包括1个发射天线和2个接收天线。

其中，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，相邻的两个等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为4d,相邻的两个接收天线之间的距离为2d。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过使相邻的两个等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为4d,相邻的两个接收天线之间的距离为2d，可用3个收发天线组成一个天线周期结构，并可以将周期结构按水平4d间距重复即可组成更大规模的天线阵列。每增加3个天线增加4个相位中心,稀疏效率为0.25，从而提高了阵列天线性能并降低了成本。

进一步，所述天线周期结构包括1个发射天线和3个接收天线。

其中，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，相邻的两个等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为6d,相邻的两个接收天线之间的距离为2d。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过相邻的两个等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为6d,相邻的两个接收天线之间的距离为2d，可用4个收发天线组成一个天线周期结构，并且以6d 为一个周期，每周期等效相位中心数量6个，稀疏效率达到了0.33，而进一步提高了阵列天线性能。

进一步，所述天线周期结构包括3个发射天线和2个接收天线。

其中，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，除所述阵列天线末端的等效相位中心，其余相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d，所述阵列天线末端的等效相位中心与离所述阵列天线末端的等效相位中心最近的等效相位中心之间的距离大于d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为4d,相邻的两个接收天线之间的距离为6d。

采用上述进一步方案的有益效果是，通过使所述阵列天线末端的等效相位中心与离所述阵列天线末端的等效相位中心最近的等效相位中心之间的距离大于d，其余相邻的两个等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为4d,相邻的两个接收天线之间的距离为6d，可用5 个收发天线组成一个天线周期结构，每周期等效相位中心为12个，稀疏效率达到了0.58，进一步提高了阵列天线性能。

本发明为了解决上述技术问题提供一种周期排列的稀疏阵列天线的排列方法。

其技术方案如下：一种周期排列的稀疏阵列天线的排列方法，包括如下步骤：

将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构。

将S个所述天线周期结构依次排列，以构成阵列天线；其中，所述阵列天线包括S*N1个所述发射天线和S*N2个所述接收天线，且S*N1个所述发射天线排列成第三直线，S*N2个所述接收天线排列成第四直线，所述第一直线与所述第二直线平行，且所述第三直线位于所述第四直线的上方或下方。

以所述阵列天线中任意一个所述接收天线和任意一个所述发射天线之间的中点确定1个所述等效相位中心，并计算出所述阵列天线的M个所述等效相位中心，且M个所述等效相位中心呈等间距直线排列；其中，N1、N2、 S以及M满足如下公式：

1-S(N1+N2)/M＞0。

进一步，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于1，N2等于2，且相邻的两个等效相位中心之间的距离为d 时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为4d,相邻的两个接收天线之间的距离确定为2d。

进一步，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于1，N2等于3，且相邻的两个等效相位中心之间的距离为d 时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为6d,相邻的两个接收天线之间的距离确定为2d。

进一步，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于3，N2等于2，除所述阵列天线末端的等效相位中心，其余相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d，所述阵列天线末端的等效相位中心与离所述阵列天线末端的等效相位中心最近的等效相位中心之间的距离大于d时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为4d,相邻的两个接收天线之间的距离确定为6d。

附图说明

图1为本发明背景技术提供的现有的一种阵列天线的结构示意图；

图2为本发明背景技术提供的现有的另一种阵列天线的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种3天线周期结构的周期排列的稀疏阵列天线的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种4天线周期结构的周期排列的稀疏阵列天线的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种5天线周期结构的周期排列的稀疏阵列天线的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种5天线周期结构的周期排列的稀疏阵列天线的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明实施例提供的一种周期排列的稀疏阵列天线，包括：

S个天线周期结构，每个所述天线周期结构包括N1个发射天线和N2个接收天线。

N1个所述发射天线排列成第一直线，N2个所述接收天线排列成第二直线，所述第一直线与所述第二直线平行，且所述第一直线位于所述第二直线的上方或下方。

S个所述天线周期结构依次排列成所述阵列天线，所述阵列天线包括M 个等效相位中心，且M个所述等效相位中心呈等间距直线排列，其中，所述阵列天线中任意一个所述接收天线和任意一个所述发射天线之间的中点为1 个所述等效相位中心。

其中，1-S(N1+N2)/M＞0，即该阵列天线的稀疏效率大于0。

需要说明的是，阵列天线为按一定规律排列的一组天线。

需要说明的是，等效相位中心为天线收发分置时，等效为位于收发天线中间位置的天线自发自收的信号，此等效天线的位置为等效相位中心。

需要说明的是，当N个收发天线组成的阵列天线具有M个等效相位中心时，稀疏效率为(1-N/M)。

在实际应用场景中，如图3所示，以3个收发天线作为一个天线周期结构为例，具体地，一个天线周期结构包括1个发射天线和2个接收天线，也可以是1个接收天线和2个发射天线。

当采用1个发射天线和2个接收天线时，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，相邻的两个等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为4d,相邻的两个接收天线之间的距离为2d，天线周期为4d。可以将周期结构按水平4d间距重复即可组成更大规模的天线阵列。每增加3个天线增加4个相位中心,稀疏效率达到了(1-3/4)＝0.25。其中， S为大于0的整数。

更为具体地，该阵列天线由两排天线组成，其中一排作为发射天线，另一排作为接收天线。以哪一排天线作为发射天线不影响其工作特性，为叙述方便以第一排天线作为发射天线。

如等效相位中心天线间距为d,则发射天线间距为4d,接收天线间距为2 d。发射天线31与接收天线34、35组成一个3天线单元的周期结构。发射天线31发射的信号经目标320反射后由接收天线35接收。等效为位于二者几何中心的单一天线311发射的信号被320反射后在311位置接收的信号。位置311即为收发天线对31和35的等效相位中心，位于天线31和天线35 连线的中心处。同理可以确定天线31和天线34的相位中心在位置10，天线 32和天线34的相位中心在位置312，同理可得到313-319等共10个相位中心。阵列天线为空间周期结构，每三个天线为一个周期。由天线31、34、35 组成的天线等效相位中心位310、311，另天线34发射天线32等效相位中心位于312，天线35发射天线32接收时等效相位中心313。同样天线32，36， 37等效相位中心位于314、315，与天线33等效相位中心316，317。每个周期的天线单元等效中心由2个，与相邻天线单元由等效中心2个，每周期等效相位中心4个其中2个为跨周期天线单元形成。本实施例组成较大的阵列天线时，每增加3个天线单元，天线尺寸增加4d,阵列增加4个等效相位中心，不考虑两端个别相位中心缺失，根据稀疏效率公式1-N/M，该阵列天线稀疏效率为1-3/4＝0.25。

由于该阵列天线采用周期化设计，便于产品模块化设计，天线控制、发射电路、接收电路都可以进行模块化设计，提高产品一致性、可维护性并有效降低成本。

如图4所示，在本实施例中，以4个收发天线作为一个天线周期结构为例，具体地，一个天线周期结构包括1个发射天线和3个接收天线。

其中，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，相邻的两个等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为6d,相邻的两个接收天线之间的距离为2d，其中，6d为一个周期，每周期等效相位中心数量6个，每周期天线单元数量4个，稀疏效率(1-4/6)＝0.33。可以预见，增加每周期天线单元数量可以产生更多的等效相位中心，从而提高稀疏效率。其中，周期稀疏阵列天线的周期数量和排列形式还有很多组合，不再一一穷举。

如图5所示，在本实施例中，以5个收发天线作为一个天线周期结构为例，具体地，一个天线周期结构包括3个发射天线和2个接收天线。

其中，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，所述阵列天线末端的等效相位中心与离所述阵列天线末端的等效相位中心最近的等效相位中心之间的距离大于d，其余相邻的两个等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为4d,相邻的两个接收天线之间的距离为 6d，相比于以上实施例的阵列天线，本阵列天线同时增加发射和接收天线间距，天线周期为12d的，包含5个天线单元，每周期等效相位中心12个，稀疏效率(1-5/12)＝0.58。最小天线间距为4d，天线间距的增加提高天线隔离度减小天线之间相互影响。通过减小天线间距可以降低天线栅瓣、副瓣。

可选地，可在该实施例的阵列天线中将发射天线和接收天线放置于圆周或多边形上，可以同样起到周期化提高稀疏效率，降低成本提高可维护性的目的。

可选地，如图6所示，可在该实施例的阵列天线的两侧增加天线单元1、 9、10、16，使得等效相位中心17、18、19、20间距变小。通过在天线两端增加少量天线单元，弥补并调整了部分等效相位中心的距离，可以起到降低阵列天线栅瓣、副瓣，锐化波束等效果。

综上所述，本实施例提供的一种周期排列的稀疏阵列天线，采用空间周期结构，优化了周期条件下的稀疏效率，解决了目前稀疏阵列天线维护不便、稀疏效率低、成本较高的缺点。相邻周期的天线单元之间组合形成相位中心，具有较高的稀疏效率。本发明阵列天线每3个收发天线组成一个周期，实现稀疏效率0.25，还可以通过增加每周期天线数量进一步提高稀疏效率。只需根据天线的空间周期结构组成模块，即可组成可互换的子阵模块。应用中既可以减少互联电缆又可以保证模块之间的互换性从而提高了产品的可靠性、可维护性并降低了产品全寿命使用成本。

需要说明的是，空间周期是指所述对象存在空间平移、旋转重复性规律，即所属对象经平移、旋转等空间延拓后与自身重合。

本实施例提供一种周期排列的稀疏阵列天线的排列方法，包括如下步骤：

将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构。

将S个所述天线周期结构依次排列，以构成阵列天线；其中，每个所述天线周期结构包括N1个发射天线和N2个接收天线；N1个所述发射天线排列成第一直线，N2个所述接收天线排列成第二直线，所述第一直线与所述第二直线平行，且所述第一直线位于所述第二直线的上方或下方。

具体地，S个第一直线排列一个第三直线，S个第二直线排列成一个第四直线，也就是说，所述阵列天线包括S*N1个所述发射天线和S*N2个所述接收天线，且S*N1个所述发射天线排列成第三直线，S*N2个所述接收天线排列成第四直线，所述第三直线与所述第四直线平行，且所述第三直线位于所述第四直线的上方或下方。再以所述阵列天线中任意一个所述接收天线和任意一个所述发射天线之间的中点确定1个所述等效相位中心，并计算出所述阵列天线的M个所述等效相位中心，且M个所述等效相位中心呈等间距直线排列，其中，N1、N2、S以及M满足如下公式：

1-S(N1+N2)/M＞0。

可选地，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于1，N2等于2，且相邻的两个等效相位中心之间的距离为d 时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为4d,相邻的两个接收天线之间的距离确定为2d。

可选地，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于1，N2等于3，且相邻的两个等效相位中心之间的距离为d 时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为6d,相邻的两个接收天线之间的距离确定为2d。

可选地，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于3，N2等于2，且除所述阵列天线末端的等效相位中心，其余相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d，所述阵列天线末端的等效相位中心与离所述阵列天线末端的等效相位中心最近的等效相位中心之间的距离大于d时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为4d,相邻的两个接收天线之间的距离确定为6d。

通过本实施例的排列方法布置的阵列天线因使用周期结构便于组成可重复利用的标准模块，有利于提高产品一致性，减少维修备件提高可维护性，降低产品全寿命成本。进而提高阵列天线可维护性，具有更低的成本和可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种周期排列的稀疏阵列天线，其特征在于，包括：

S个天线周期结构，每个所述天线周期结构包括N1个发射天线和N2个接收天线；

N1个所述发射天线排列成第一直线，N2个所述接收天线排列成第二直线，所述第一直线与所述第二直线平行，且所述第一直线位于所述第二直线的上方或下方；

S个所述天线周期结构依次排列成阵列天线，所述阵列天线包括M个等效相位中心，且M个所述等效相位中心呈等间距直线排列，其中，所述阵列天线中任意一个所述接收天线和任意一个所述发射天线之间的中点为1个所述等效相位中心；

其中，1-S(N1+N2)/M＞0。

2.根据权利要求1所述的周期排列的稀疏阵列天线，其特征在于，所述天线周期结构包括1个发射天线和2个接收天线；

其中，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为4d,相邻的两个所述接收天线之间的距离为2d。

3.根据权利要求1所述的周期排列的稀疏阵列天线，其特征在于，所述天线周期结构包括1个发射天线和3个接收天线；

其中，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为6d,相邻的两个所述接收天线之间的距离为2d。

4.根据权利要求1所述的周期排列的稀疏阵列天线，其特征在于，所述天线周期结构包括3个发射天线和2个接收天线；

其中，在S个所述天线周期结构组成的阵列天线中，除所述阵列天线末端的等效相位中心，其余相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d，所述阵列天线末端的等效相位中心与离所述阵列天线末端的等效相位中心最近的等效相位中心之间的距离大于d，相邻的两个所述发射天线之间的距离为4d,相邻的两个所述接收天线之间的距离为6d。

5.一种周期排列的稀疏阵列天线的排列方法，其特征在于，包括如下步骤：

将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构；

将S个所述天线周期结构依次排列，以构成阵列天线；其中，所述阵列天线包括S*N1个所述发射天线和S*N2个所述接收天线，且S*N1个所述发射天线排列成第三直线，S*N2个所述接收天线排列成第四直线，所述第三直线与所述第四直线平行，且所述第三直线位于所述第四直线的上方或下方；

以所述阵列天线中任意一个所述接收天线和任意一个所述发射天线之间的中点确定1个所述等效相位中心，并计算出所述阵列天线的M个所述等效相位中心，且M个所述等效相位中心呈等间距直线排列；其中，N1、N2、S以及M满足如下公式：

1-S(N1+N2)/M＞0。

6.根据权利要求5所述的周期排列的稀疏阵列天线的排列方法，其特征在于，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于1，N2等于2，且相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为4d,相邻的两个所述接收天线之间的距离确定为2d。

7.根据权利要求5所述的周期排列的稀疏阵列天线的排列方法，其特征在于，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于1，N2等于3，且相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为6d,相邻的两个所述接收天线之间的距离确定为2d。

8.根据权利要求5所述的周期排列的稀疏阵列天线的排列方法，其特征在于，所述将N1个发射天线和N2个接收天线进行排列，以得到1个天线周期结构的具体实现如下：

当N1等于3，N2等于2，除所述阵列天线末端的等效相位中心外，其余相邻的两个所述等效相位中心之间的距离为d，所述阵列天线末端的等效相位中心与离所述阵列天线末端的等效相位中心最近的所述等效相位中心之间的距离大于d时，将相邻的两个所述发射天线之间的距离确定为4d,相邻的两个所述接收天线之间的距离确定为6d。