CN110504555A - 一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法，属于微波阵列天线技术领域。本发明方法首先通过优化算法计算理想阵列的幅相分布，选择合适的天线单元，并采用软件计算考虑天线互耦条件下阵列的幅相分布，其次进行天线子阵划分，一方面对天线单元进行优化选择和设计，并计算出其关心的电气指标；另一方面确定每个子阵内馈电网络的幅度和相位分布，找出其中最大幅度值，对整个馈电网络进行多级分解。本发明方法既考虑了天线单元的互耦特性和相位差异，又简化了网络的设计难度，相对于现有技术具有明显的技术先进性。

Description

一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法

技术领域

本发明涉及微波阵列天线技术领域，特别是指一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法，适用于各类波束赋形的阵列天线中，特别适用于端口数目较多的赋形波束阵列天线或各端口幅相不一致的功分网络设计中。

背景技术

目前，在阵列天线中使用的波束赋形馈电网络主要有以下几种设计方法：

1、对阵列天线中各端口的幅度和相位数据进行分析后，进行统一设计，即不分层级。这样设计的馈电网络的幅度和相位分布比较直观，但是这种设计方法较为复杂，特别是天线阵列单元的数目较多时，需要协同考虑各个端口的幅度和相位的相对差值，统筹分配到各个端口上的幅度和相位有可能会差别比较大，对于后期的工程实现存在设计复杂，甚至难以实现的风险。

2、利用优化算法对所要求的赋形波束进行反演，得出各个端口的幅度和相位数据，然后对各个端口进行分组，每一组先进行设计，然后再对各组的数据进行拼接和比较。这样得到的结果虽然能够满足设计要求，但这种方法的工作量相对较大，并且要计算各个组的数据相对值，因此为具体实物加工和测试带来很大的工作量。

3、利用测试的方法进行功分网络进行设计，即首先设计出赋形波束网络的初样，根据具体需要的幅度和相位值，进行各个端口的调试和测试，然后在与天线单元进行连接，而后通过测试得到设计的赋形阵列天线。这样的设计思路可以较为全面和准确的得到最终的结果，但其过程复杂，工作量大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法。该方法充分考虑了系统设计的简洁性，既对天线单元本身的幅相一致性进行了取样，又对馈电网络进行分解，简化了设计难度。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法，用于对单元数目为M的阵列进行波束赋形设计，M≥8；该方法包括以下步骤：

步骤1：根据要赋形的方向图范围，计算天线单元间距d，d≤λ/(1+sinθ)，λ为空气中的波长，θ为赋形范围；采用优化算法计算出理想阵列的幅度和相位分布，其中，幅度分布为A₀₁,A₀₂,…A_0M，各幅度值为以最大幅度值进行归一化所得的对数值，单位为dB，相位分布为P₀₁,P₀₂,…P_0M，各相位值的单位为度；

步骤2：选择天线单元，优化天线单元的技术指标，并对组阵后的阵列进行电磁仿真，优化后得到天线单元之间的耦合系数以及每一个天线单元的阵中方向图，所述阵中方向图包含幅度和相位信息；

步骤3：将步骤2中得到的耦合系数和阵中方向图带入到步骤1的优化算法中，得到考虑互耦条件下的阵列中每一个天线单元的幅度和相位分布，其中，幅度分布为A_i1,A_i2,…A_iM，相位分布为P_i1,P_i2,…P_iM，i为子阵序号，1≤i≤N；

步骤4：根据阵列中天线单元的个数、频率以及馈电网络插入损耗的预估值，将阵列划分为N个子阵，其中N的取值为2的整数幂，每个子阵中天线单元的数量为m_i；每个子阵中天线单元的幅度和相位值按照步骤3中计算出的A_i1,A_i2,…A_iM和P_i1,P_i2,…P_iM进行分配，以此对阵列天线的馈电网络进行设计，完成赋形阵列天线的设计。

进一步的，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：确定每个子阵中天线单元的幅度和相位，即该子阵中天线单元合成馈电网络的幅度和相位分布，并找出每个子阵中天线单元的最大幅度值max A_i；

步骤4.2：对整个阵列的馈电网络按照步骤3中的幅度和相位分布进行分级，其中，子阵内的馈电网络为后级，剩余分布的馈电网络作为前级；两级馈电网络的幅度和相位分布情况如下：

1)子阵内馈电网络，即后级网络的幅度和相位分布为：

A_i后＝(A_i1,A_i2,…,A_iM)-max A_i

P_i后＝(P_i1,P_i2,…,P_iM)

2)前级馈电网络的幅度和相位分布为：

A_i前＝max A_i

P_i前＝P₀₁,P₀₂,…P_0M。

进一步的，所述天线单元为微带、波导或者螺旋形式，所述馈电网络为微带或者波导形式。

本发明与背景技术相比具有如下有益效果：

1、本发明充分考虑天线单元本身幅相一致性对功分馈电网络设计值的影响，为后续的设计具有纠偏的作用。

2、本发明对功分馈电网络进行分级设计，降低了设计难度，提高了设计效率。

3、本发明的设计流程简单，操作性强，适合于各类波束赋形阵列天线的设计中，具有通用性。

总之，本发明采用天线单元和网络一体化设计思路，仿真出每一个天线单元的相位和幅度，并将其作为网络设计的初始参考值。该方法充分考虑了系统设计的简洁性，既对天线单元本身的幅相一致性进行了取样，又对馈电网络进行分解，简化了设计难度。

附图说明

图1是本发明实施例中波束赋形阵列天线的设计流程图。

图2是本发明实施例中多级馈电网络的一种示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法，用于对单元数目为M的阵列进行波束赋形设计，M≥8；该方法包括以下步骤：

步骤1：根据要赋形的方向图范围，计算天线单元间距d，d≤λ/(1+sinθ)，λ为空气中的波长，θ为赋形范围；采用遗传算法、神经网络、模拟退火等优化算法计算出理想阵列的幅度和相位分布，其中，幅度分布为A₀₁,A₀₂,…A_0M，各幅度值为以最大幅度值进行归一化所得的对数值，一般为负值，单位为dB，相位分布为P₀₁,P₀₂,…P_0M，各相位值的单位为度；

步骤2：选择合适的天线单元，优化天线单元的技术指标，如单元的电压驻波比、单元互耦、单元的3dB方向图等参数，并对组阵后的阵列进行电磁软件仿真，优化后得到天线单元之间的耦合系数以及每一个天线单元的阵中方向图，所述阵中方向图包含幅度和相位信息；

步骤3：将步骤2中得到的耦合系数和阵中方向图带入到步骤1的优化算法中，得到考虑互耦条件下的阵列中每一个天线单元的幅度和相位分布，其中，幅度分布为A_i1,A_i2,…A_iM，相位分布为P_i1,P_i2,…P_iM，i为子阵序号，1≤i≤N；

步骤4：根据阵列中天线单元的个数、频率以及馈电网络插入损耗的预估值，将阵列划分为N个子阵，每个子阵中天线单元的数目可以相同也可以不同。其中N的取值为2的整数幂，每个子阵中天线单元的数量为m_i；每个子阵中天线单元的幅度和相位值按照步骤3中计算出的A_i1,A_i2,…A_iM和P_i1,P_i2,…P_iM进行分配，以此对阵列天线的馈电网络进行设计，完成赋形阵列天线的设计。

上述方法中，天线单元可以为微带、波导或者螺旋形式，所述馈电网络可以为微带或者波导形式。按照计算出的单元间距d，对步骤2中优化的天线单元进行阵面排布，并对天线阵列和馈电网络进行级联仿真，即可得出赋形后的天线阵列。

进一步的，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：确定每个子阵中天线单元的幅度和相位，即该子阵中天线单元合成馈电网络的幅度和相位分布，并找出每个子阵中天线单元的最大幅度值max A_i；

步骤4.2：对整个阵列的馈电网络按照步骤3中的幅度和相位分布进行分级，其中，子阵内的馈电网络为后级，剩余分布的馈电网络作为前级；两级馈电网络的幅度和相位分布情况如下：

1)子阵内馈电网络，即后级网络的幅度和相位分布为：

A_i后＝(A_i1,A_i2,…,A_iM)-max A_i

P_i后＝(P_i1,P_i2,…,P_iM)

2)前级馈电网络的幅度和相位分布为：

A_i前＝max A_i

P_i前＝P₀₁,P₀₂,…P_0M。

一般来说，如果前级馈电网络分为多级，则与子阵网络连接的最后一级的幅度和相位分布符合步骤4.2中2)部分的公式，其他剩余级则为等幅同相。

通过上述分解，可大幅降低阵列波束赋形中馈电网路的设计难度，提高系统的可靠性和冗余性。

本发明方法既考虑了天线单元的互耦特性和相位差异，又简化了网络的设计难度，相对于现有技术具有明显的技术先进性。

具体来说，如图1所示，一种网络幅相分可解的赋形阵列天线设计方法，该方法首先通过优化算法计算理想阵列的幅相分布，选择合适的天线单元，并采用软件计算考虑天线互耦条件下阵列的幅相分布，其次进行天线子阵划分，一方面对天线单元进行优化选择和设计，并计算出其关心的电气指标，如单元的波束方向图、互耦系数以及相位差值；另一方面确定每个子阵内馈电网络的幅度和相位分布，找出其中最大幅度值，对整个馈电网络进行N级分解，其中，前1到N-2级馈电网络为等相等幅，N-1级馈电网络为等相不等幅；并设置子阵内馈电网络为不等相不等幅。其具体流程如下：

步骤1：假定所要赋形的阵列单元数目为M，M为自然数，通常M的数量较多。根据要赋形的方向图范围，选取合适的天线单元间距，进行组成，采用优化算法通过优化算法计算理想阵列的幅相分布，幅度分布记为，A₀₁,A₀₂,…A_0M，相位分布记为：P₀₁,P₀₂,…P_0M；其中幅度的单位取dB，以最大幅度值进行归一取对数，一般为负值；相位的单位为度。

步骤2：选择合适的天线单元，优化天线单元的技术指标，并对组阵后的阵列进行电磁软件仿真，优化后得到天线单元之间的耦合系数以及每一个单元的阵中方向图；

步骤3：将步骤2中得到的耦合系数和阵中单元的方向图带入到步骤1中的优化算法中，得到考虑互耦条件下的阵列中每一个单元的幅度和相位分布，幅度分布记为A_i1,A_i2,…A_iM，相位分布记为P_i1,P_i2,…P_iM；

步骤4：对步骤3中计算出的A_i1,A_i2,…A_iM和P_i1,P_i2,…P_iM按顺序进行分为多个天线子阵，划分原则可根据阵列中单元的个数、频率以及馈电网络插入损耗的预估值等多个因素综合考虑，假定分为N个子阵，每一组中单元数目可以相同也可以不同，记为m_i，i为子阵序号，1≤i≤N；具体来说：

步骤4.1：确定每组中天线单元的幅度和相位，即该子阵中单元合成馈电网络的幅度和相位分布，并找出每子阵内m_i个单元中最大幅度值，记为max A_i

步骤4.2：对整个阵列的馈电网络按照步骤3中的子阵划分情况进行分级，其中子阵内的馈电网络为后级，剩余分布的馈电网络作为前级。得到的多级馈电网络结构如图2所示。

步骤5：对各级馈电网络进行分别设计和整体优化，最后将天线单元和整体馈电网络进行系统仿真，直到达到设计目标。

总之，本发明方法采用天线单元和网络一体化设计思路，仿真出每一个天线单元的相位和幅度后，并将其作为网络设计的初始参考值，这样充分考虑了系统设计的简洁性，既对天线单元本身的幅相一致性进行了取样，又对馈电网络进行分解设计，简化了设计难度。本发明适用于各类波束赋形的阵列天线中，特别适用于端口数目较多的赋形波束阵列天线或各端口幅相不一致的功分网络设计中。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法，其特征在于，用于对单元数目为M的阵列进行波束赋形设计，M≥8；该方法包括以下步骤：

步骤1：根据要赋形的方向图范围，计算天线单元间距d，d≤λ/(1+sinθ)，λ为空气中的波长，θ为赋形范围；采用优化算法计算出理想阵列的幅度和相位分布，其中，幅度分布为A₀₁,A₀₂,…A_0M，各幅度值为以最大幅度值进行归一化所得的对数值，单位为dB，相位分布为P₀₁,P₀₂,…P_0M，各相位值的单位为度；

步骤2：选择天线单元，优化天线单元的技术指标，并对组阵后的阵列进行电磁仿真，优化后得到天线单元之间的耦合系数以及每一个天线单元的阵中方向图，所述阵中方向图包含幅度和相位信息；

步骤3：将步骤2中得到的耦合系数和阵中方向图带入到步骤1的优化算法中，得到考虑互耦条件下的阵列中每一个天线单元的幅度和相位分布，其中，幅度分布为A_i1,A_i2,…A_iM，相位分布为P_i1,P_i2,…P_iM，i为子阵序号，1≤i≤N；

步骤4：根据阵列中天线单元的个数、频率以及馈电网络插入损耗的预估值，将阵列划分为N个子阵，其中N的取值为2的整数幂，每个子阵中天线单元的数量为m_i；每个子阵中天线单元的幅度和相位值按照步骤3中计算出的A_i1,A_i2,…A_iM和P_i1,P_i2,…P_iM进行分配，以此对阵列天线的馈电网络进行设计，完成赋形阵列天线的设计。

2.根据权利要求1所述的一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：确定每个子阵中天线单元的幅度和相位，即该子阵中天线单元合成馈电网络的幅度和相位分布，并找出每个子阵中天线单元的最大幅度值max A_i；

步骤4.2：对整个阵列的馈电网络按照步骤3中的幅度和相位分布进行分级，其中，子阵内的馈电网络为后级，剩余分布的馈电网络作为前级；两级馈电网络的幅度和相位分布情况如下：

1)子阵内馈电网络，即后级网络的幅度和相位分布为：

A_i后＝(A_i1,A_i2,…,A_iM)-max A_i

P_i后＝(P_i1,P_i2,…,P_iM)

2)前级馈电网络的幅度和相位分布为：

A_i前＝max A_i

P_i前＝P₀₁,P₀₂,…P_0M。

3.根据权利要求1所述的一种网络幅相可分解的赋形阵列天线设计方法，其特征在于，所述天线单元为微带、波导或者螺旋形式，所述馈电网络为微带或者波导形式。