CN110598247B - 基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法，从硬件划分，到软件解算实现设计出满足波束色散要求的移相、延时两级相控阵天线。利用本发明设计的相控阵，瞬时带宽可达1.6GHz，波束指向精度优于0.1°，不采用多级配相方式时，指向精度超过0.3°。

Description

基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法
技术领域
本发明涉及有源相控阵领域，尤其是一种基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法。
背景技术
相控阵配相算法是选取一个单元作为基准，根据来波方向，来解算出其它所有单元相对波程差即为配相值。为了改善采用移相器体制的相控阵不可避免的宽带色散效应(导致高低频点波束指向偏差)，通常采用移相与延时相结合的配相方式。但现有技术较少涉及如何划分子阵、以及移相延时之间如何配合使用，不利于技术见底。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法，可通过混合配相方式指导相控阵设计，用于扩展相控阵瞬时带宽，以及提高波束指向精度。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法，包括：
S1，确认子阵个数
(1)根据波束扫描范围，工作带宽，可容忍的色散引起波束指向偏差，以及一维最大尺寸，计算子阵个数m：
Figure GDA0002681968880000011
其中，L为一维最大尺寸，c为光速，K为可容忍的角度偏差相对当前指向的波束宽度的比值，Δf为单边瞬时带宽，取值为工作带宽的一半，θ为最大离轴角；
(2)根据波束扫描范围，确认最大指向处各个阵元的移相量
Figure GDA0002681968880000021
Figure GDA0002681968880000022
其中，最大指向为(θ,φ)，第i个阵元相对于0阵元位置(xi，yi)，所述0阵元的位置为坐标原点，k为频率为f的波矢量,且k＝360/λ，λ为波束的波长；
(3)在保证子阵内最小移相量与最大移相量的差值小于等于1个周期的前提下，等间距分别划分X轴和Y轴得到子阵个数n：
Figure GDA0002681968880000023
(4)比较m和n，取最大值max(m,n)作为X轴维度和Y轴维度上最终划分的子阵个数；
S2，确认子阵个数后，进行解算控制
(5)根据第i个阵元相对于0阵元的坐标(xi，yi)，计算第i个阵元的移相量
Figure GDA0002681968880000024
Figure GDA0002681968880000025
其中，k＝360/λ；
(6)将第i个阵元所在的子阵中的最小移相量的阵元位置(xn，yn)作为参考点，计算参考点的移相量
Figure GDA0002681968880000026
Figure GDA0002681968880000027
(7)按照中心频率f0的360度折算至当前工作频率对参考点的移相量进行四舍五入量化，得到当前子阵延时器需要延时的位数N：
Figure GDA0002681968880000028
其中f0为中心频率，fi为当前工作频率，round为四舍五入函数；
(8)计算当前子阵内延时器延时的移相量
Figure GDA0002681968880000031
Figure GDA0002681968880000032
(9)用子阵中第i个阵元的移相量减去延时器延时的移相量得到移相器的移相量
Figure GDA0002681968880000033
Figure GDA0002681968880000034
(10)对移相器的移相量按照当前工作频率折算至中心频率f0的5.625度进行四舍五入量化，并取64的模，得到移相器移相的位数M：
Figure GDA0002681968880000035
其中，mod为量化函数。
采用所述基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法设计的所述相控阵为包括第一级移相网络和第二级延时网络的两级波控的相控阵；第一级移相网络对波束的每个子阵移相位数M，第二级延时网络对波束的每个子阵延时位数N。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
利用本发明设计的相控阵，瞬时带宽可达1.6GHz，波束指向精度优于0.1°，不采用多级配相方式时，指向精度超过0.3°。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的波束方向极坐标定义示意图。
图2为本发明的两级波控的拓扑结构图。
图3为利用本发明设计的相控阵实测三个频点的波束指向数据展示图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例以特定的相控阵天线需求，对本发明提供的一种基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法进行说明：
设定参数：对于中心频率f0＝20GHz，工作带宽为1.5GHz，可容忍的色散引起波束指向偏差为0.1倍波束宽度，最大离轴角度8°，一维最大尺寸700mm，阵元间距为35mm，则一维上有
Figure GDA0002681968880000041
个阵元。
S1，确认子阵个数
(1)根据波束扫描范围，工作带宽，可容忍的色散引起波束指向偏差，以及一维最大尺寸，计算子阵个数m：
Figure GDA0002681968880000051
根据L＝700mm，c＝3*108m/s，Δf＝0.75GHz，θ＝8°，可容忍的角度偏差相对当前指向的波束宽度的比值K＝0.1，得到m≥2.15，取整后m≥3，即表示一维上至少需要3个子阵才能满足要求。
(2)根据波束扫描范围，确认最大指向处各个阵元的移相量
Figure GDA0002681968880000052
Figure GDA0002681968880000053
如图1所示，以X轴为例，每个阵元的坐标Xi＝35*n，yi＝0，最大指向为(θ,φ)＝(0°,8°)，k为频率为f的波矢量，且k＝360/λ，λ为波长。由此可以得到一维上子阵内20个阵元的移相量等差数列：0，116.9°，233.8°，350.7°，……，2104.3°，2221.2°；
(3)在保证子阵内最小移相量与最大移相量的差值小于等于1个周期(360°)的前提下，等间距分别划分X轴和Y轴得到子阵个数n：
Figure GDA0002681968880000054
根据上述得到的一维上20个阵元的相位差等差数列，当一维上每个子阵内有4个阵元时，最小移相量与最大移相量的差值为350.7°，小于1个周期(360°)，得到
Figure GDA0002681968880000055
(4)比较m和n，取最大值max(m,n)作为第i个阵元上最终划分的子阵个数；
根据上述过程，得到m≥3，n≥5，则max(m,n)＝5，因此，该阵列在一维上划分为5个子阵。
S2，确认子阵个数后，进行解算控制(以下以角度制进行说明)
如图2所示，两级波控的拓扑结构包括第一级移相网和第二级延时网络，需要分别对移相器和延时器进行解算控制。移相器按照5.625度量化，延时器按照1个周期量化。(以下计算均按照角度制)以一个边带频点20.75GHz，指向以(0°,8°)为例，计算一维上最后一个阵元i＝20，对应的相对于0阵元的坐标(665，0)的两级波控移相码；
(5)根据第i个阵元相对于0阵元的坐标(xi，yi)，计算第i个阵元的移相量
Figure GDA0002681968880000061
Figure GDA0002681968880000062
其中，k＝360/λ，得到阵元的移相量
Figure GDA0002681968880000063
(6)将第i个阵元所在的子阵中的最小移相量的阵元位置(xn，yn)作为参考点，计算参考点的移相量
Figure GDA0002681968880000064
Figure GDA0002681968880000065
当前阵元i＝20所在的子阵中的阵元编号i＝17,18,19,20，取该子阵中的最小移相量的阵元i＝17，对应的相对于0阵元的坐标(560，0)，得到移相量
Figure GDA0002681968880000066
(7)按照中心频率f0的360度折算至当前工作频率对参考点的移相量进行四舍五入量化，得到当前子阵延时器需要延时的位数N：
Figure GDA0002681968880000067
其中f0为中心频率，fi为当前工作频率，round为四舍五入函数，得到当前子阵延时器需要延时的位数N＝5；
(8)计算当前子阵内延时器延时的移相量
Figure GDA0002681968880000068
Figure GDA0002681968880000069
得到
Figure GDA00026819688800000610
(9)用子阵中第i个阵元的移相量减去延时器延时的移相量得到移相器的移相量
Figure GDA0002681968880000071
Figure GDA0002681968880000072
(10)对移相器的移相量按照当前工作频率折算至中心频率f0的5.625度进行四舍五入量化，并取64的模(因为按照5.625°量化，移相器可移相相位数为0～63)，得到移相器移相位数M：
Figure GDA0002681968880000073
其中，mod为量化函数，得到移相器移相的位数M＝11。
至此可知，对于一维上最后一个阵元(665，0)，它所在的子阵需要延时5位(每一位对应1个周期)，它所对应的移相器需要移相11位(每一位对应5.625°)。
采用所述基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法设计的所述相控阵为包括第一级移相网络和第二级延时网络的两级波控的相控阵；第一级移相网络对波束的每个子阵移相位数M，第二级延时网络对波束的每个子阵延时位数N。所述相控阵实测的波束合成方向图如图3所示，通过实施实例表明，有源相控阵瞬时带宽可达1.6GHz，波束指向精度优于0.1°，不采用多级配相方式时，指向精度超过0.3°。
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 (2)

1.一种基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法，其特征在于，包括：
S1，确认子阵个数
(1)根据波束扫描范围，工作带宽，可容忍的色散引起波束指向偏差，以及一维最大尺寸，计算子阵个数m：
Figure FDA0002681968870000011
其中，L为一维最大尺寸，c为光速，K为可容忍的角度偏差相对当前指向的波束宽度的比值，Δf为单边瞬时带宽，取值为工作带宽的一半，θ为最大离轴角；
(2)根据波束扫描范围，确认最大指向处各个阵元的移相量
Figure FDA0002681968870000012
Figure FDA0002681968870000013
其中，最大指向为(θ，φ)，第i个阵元相对于0阵元位置(xi，yi)，所述0阵元的位置为坐标原点，k为频率为f的波矢量，且k＝360/λ，λ为波束的波长；
(3)在保证子阵内最小移相量与最大移相量的差值小于等于1个周期的前提下，等间距分别划分X轴和Y轴得到子阵个数n：
Figure FDA0002681968870000014
(4)比较m和n，取最大值max(m，n)作为X轴维度和Y轴维度上最终划分的子阵个数；
S2，确认子阵个数后，进行解算控制
(5)根据第i个阵元相对于0阵元的坐标(xi，yi)，计算第i个阵元的移相量
Figure FDA0002681968870000015
Figure FDA0002681968870000016
其中，k＝360/λ；
(6)将第i个阵元所在的子阵中的最小移相量的阵元位置(xn，yn)作为参考点，计算参考点的移相量
Figure FDA0002681968870000021
Figure FDA0002681968870000022
(7)按照中心频率f0的360度折算至当前工作频率对参考点的移相量进行四舍五入量化，得到当前子阵延时器需要延时的位数N：
Figure FDA0002681968870000023
其中f0为中心频率，fi为当前工作频率，round为四舍五入函数；
(8)计算当前子阵内延时器延时的移相量
Figure FDA0002681968870000024
Figure FDA0002681968870000025
(9)用子阵中第i个阵元的移相量减去延时器延时的移相量得到移相器的移相量
Figure FDA0002681968870000026
Figure FDA0002681968870000027
(10)对移相器的移相量按照当前工作频率折算至中心频率f0的5.625度进行四舍五入量化，并取64的模，得到移相器移相的位数M：
Figure FDA0002681968870000028
其中，mod为量化函数。
2.如权利要求1所述的基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法，其特征在于，采用所述基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法设计的所述相控阵为包括第一级移相网络和第二级延时网络的两级波控的相控阵；第一级移相网络对波束的每个子阵移相位数M，第二级延时网络对波束的每个子阵延时位数N。
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