CN111064011B - 一种大间距波束赋形阵列天线的低副瓣设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大间距波束赋形阵列天线的低副瓣设计方法，根据波瓣图乘法原理，利用目标天线阵列方向图及单元天线方向图确定目标阵因子方向图；然后选择阵元数目，利用伍德沃德‑劳森抽样法，综合设计一个N元等距直线阵列，使其能够实现目标阵因子方向图；将N元等距直线阵中的阵元沿垂直于阵轴方向平移，使N元等距直线阵变换为三角形栅格平面阵，形成低副瓣的赋形方向图。本发明设计流程简单，易操作且通用性强，能够适用于多种大间距波束赋形阵列天线的设计中。

Description

一种大间距波束赋形阵列天线的低副瓣设计方法
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，具体涉及一种大间距波束赋形阵列天线低副瓣设计方法。
背景技术
天线或阵列天线作为无线通信系统的信号发射和接收终端发挥着不可替代的作用。在实际应用中，单一的天线通常存在方向性不强、增益不高等缺点。而阵列天线由于其易于实现多波束、相控波束扫描和赋形波束等而得到越来越广泛的应用。阵列天线中最小单元间距大于一个波长的阵列称为大间距阵列。在利用阵列天线进行波束赋形时，若阵元间距大于一个波长，采用常规的布阵方式阵因子方向图中会出现栅瓣，从而导致阵列天线赋形面方向图副瓣过高。目前抑制大间距阵列栅瓣的方法主要有两种：一种是利用子阵级或者单元级进行非周期结构布阵的方式来抑制栅瓣，这种方法对于阵元较少的天线阵列抑制栅瓣效果不明显；另一种是利用高效天线单元来抑制栅瓣，采用这种方法会大大增加天线阵面的厚度。
发明内容
本发明的目的是提供一种大间距波束赋形阵列天线低副瓣设计方法，以解决阵因子方向图中出现栅瓣从而导致天线赋形面方向图副瓣过高的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种大间距波束赋形阵列天线的低副瓣设计方法，技术方案如下：
步骤一、根据波瓣图乘法原理，利用目标天线阵列方向图及单元天线方向图确定目标阵因子方向图；
步骤二、在能够实现目标方向图的前提下，选择阵元数目N(N≥3)；
进一步的，这里阵元数目N的选择是根据节约成本和减小体积的原则依据情况进行合理选择，会获取更好的发明效果。
步骤三、利用伍德沃德-劳森抽样法，综合设计一个间距为d/x且d/x＜λ/(1+|cosθm|)的N元等距直线阵列，使其能够实现目标阵因子方向图；
其中，d为单元天线之间的最小间距，对于大间距阵列d≥λ；x为使d/x＜λ/(1+|cosθm|)的最小整数，λ为自由空间波长，θm为最大辐射方向，对于侧射阵，θm＝π/2；
步骤四、将步骤三中得到的N元等距直线阵中的阵元沿垂直于阵轴方向平移，使间距为d/x的N元等距直线阵变换为列间距为d的N/x×x三角形栅格平面阵，形成低副瓣的赋形方向图。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
1、本发明利用三角形栅格的优点消除了赋形面阵因子方向图中的栅瓣，相比于非周期布阵等方法能够获得更低副瓣的赋形面方向图，尤其对于单元数较少的天线阵列能够有效抑制副瓣获取更优良的赋形面方向图；
2、本发明具备良好的拓展应用空间，能够配合高效天线单元获得进一步优化的方向图；
3、本发明设计流程简单，易操作且通用性强，能够适用于多种大间距波束赋形阵列天线的设计中。
附图说明
图1为本发明实施例角锥喇叭天线立体视图；
其中，1-介质窗，2-固定螺钉，3-矩形波导，4-安装法兰
图2为本发明实施例角锥喇叭天线H面方向图；
图3为本发明实施例目标天线阵列方向图；
图4为本发明实施例常规等距直线阵列；
图5为本发明实施例直线阵阵元编号及排列顺序；
图6为本发明实施例变换后的三角形栅格平面阵；
图7为本发明实施例6×2角锥喇叭平面阵；
图8为本发明6×2角锥喇叭平面阵赋形面方向图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细的阐述和说明。
现有技术中，利用子阵级或者单元级进行非周期结构布阵的方式来抑制栅瓣，但是对于阵元较少的天线阵列来说，这种方法抑制栅瓣效果不理想；本发明创造性地提出利用三角形栅格的优点来消除赋形面阵因子方向图中的栅瓣，这样相比于非周期布阵等方法能够获得更低副瓣的赋形面方向图，特别是当天线阵列单元数较少的情况下，能够有效抑制副瓣获取质量更高的赋形面方向图；本发明通过以下步骤实现了这一目的。
步骤一、根据波瓣图乘法原理，利用目标天线阵列方向图及单元天线方向图确定目标阵因子方向图；
其中，波瓣图乘法原理即非各项同性而相似的点源阵的场波瓣图是其个别源波瓣图与该阵列中具有相同位置、相对幅度和相位的各项同性点源阵波瓣图的乘积；
步骤二、在实现目标方向图的前提下，选择阵元数目N(N≥3)；
进一步的，这里阵元数目N的选择是根据节约成本和减小体积的原则依据情况进行合理选择，会获取更好的发明效果。
步骤三、利用伍德沃德-劳森抽样法，综合设计一个间距为d/x的N元等距直线阵列，使其能够实现目标阵因子方向图；
其中，d为单元天线之间的最小间距，对于大间距阵列，d≥λ；x为使d/x＜λ/(1+|cosθm|)的最小整数，λ为自由空间波长，θm为最大辐射方向，对于侧射阵，θm＝π/2；
其中，d/x＜λ/(1+|cosθm|)为直线阵抑制栅瓣的条件；
步骤四、将步骤三中得到的N元等距直线阵中的阵元沿垂直于阵轴方向平移，使间距为d/x的N元等距直线阵变换为列间距为d的N/x×x三角形栅格平面阵；
根据阵元沿垂直于直线阵阵轴方向平移不影响俯仰面方向图的原理，平面阵的俯仰面阵因子方向图与直线阵阵因子方向图相同，俯仰面阵因子方向图中不会产生栅瓣，从而实现低副瓣赋形面方向图。
其中，步骤四中阵元沿垂直于直线阵阵轴方向平移不影响俯仰面方向图的原理证明如下：
等距直线阵的阵因子方向图S可以表示为
S＝Sa+Sb (1)
其中，Sa为不需平移的阵元组成的阵因子方向图，Sb为需要平移的阵元组成的阵因子方向图。
沿俯仰面将阵元平移dz后，阵因子方向图S’可以表示为
S'＝Sa+Sb' (2)
Figure BDA0002316661310000041
其中，Sb'为需要平移的阵元平移之后组成的阵因子方向图。在方位面上，
θ＝90° (4)
此时
S'＝Sa+Sb＝S (5)
因此，阵元沿垂直于直线阵阵轴方向平移不影响俯仰面方向图。
实施例：
在高功率微波辐射系统中，考虑到功率容量等因素，需要用如图1所示的角锥喇叭天线作为天线单元，其H面方向图如图2所示，通过波束赋形，在方位面产生如图3所示的目标天线阵列方向图。由于需要通过抽真空来提高角锥喇叭的功率容量，所以需要用介质窗对角锥喇叭辐射口面进行密封，介质窗用螺钉固定在喇叭口面四周的法兰上。角锥喇叭天线工作在2.856GHz频点上时，驻波比小于1.15，口径面长度约1.290.λ。采用如图4所示的常规均匀直线阵布阵方法时，由于阵元间距大于λ，赋形面方向图中会产生大的副瓣。为了降低副瓣，本发明提供了一种大间距波束赋形阵列天线低副瓣设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据图2中的角锥喇叭天线方向图及图3中的目标天线阵列方向图确定目标阵因子方向图。
步骤二、在能够实现目标方向图的前提下，按照节约成本和减小阵列天线体积等原则，选择角锥喇叭数目为12。
步骤三、利用伍德沃德-劳森抽样法，综合设计一个间距为0.64λ、单元数为12的等距直线阵列，使其能够满足目标阵因子方向图。直线阵各阵元编号及排列顺序如图5所示，各阵元的激励和相位见表1。
表1直线阵阵元幅度相位
Figure BDA0002316661310000051
Figure BDA0002316661310000061
步骤四、将步骤三中得到的12元等距直线阵中的偶数阵元沿垂直于阵轴方向平移，使间距为0.64λ的12元等距直线阵变换为列间距为1.29λ、行间距为b(b为喇叭天线口径面宽度)的6×2三角形栅格平面阵，变换后得到的三角形栅格平面阵如图6所示。根据阵元沿垂直于直线阵阵轴方向平移不影响俯仰面方向图的原理，平面阵的俯仰面阵因子方向图与直线阵阵因子方向图相同，俯仰面阵因子方向图中不会产生栅瓣，从而实现低副瓣方向图。最终得到如图7所示的角锥喇叭阵列，其赋形面方向图如图8所示。

Claims (2)

1.一种大间距波束赋形阵列天线的低副瓣设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据波瓣图乘法原理，利用目标天线阵列方向图及单元天线方向图确定目标阵因子方向图；
步骤二、在能够实现目标方向图的前提下，选择阵元数目N(N≥3)；
步骤三、利用伍德沃德-劳森抽样法，综合设计一个间距为d/x且d/x＜λ/(1+|cosθm|)的N元等距直线阵列，使其能够实现目标阵因子方向图；
其中，d为单元天线之间的最小间距，对于大间距阵列d≥λ；x为使d/x＜λ/(1+|cosθm|)的最小整数，λ为自由空间波长，θm为最大辐射方向，对于侧射阵，θm＝π/2；
步骤四、将步骤三中得到的N元等距直线阵中的阵元沿垂直于阵轴方向平移，使间距为d/x的N元等距直线阵变换为列间距为d的N/x×x三角形栅格平面阵，形成低副瓣的赋形方向图。
2.根据如权利要求1所述的一种大间距波束赋形阵列天线的低副瓣设计方法，其特征在于，所述的阵元数目N的选择是根据节约成本和减小体积的原则依据情况进行合理选择，会获取更好的发明效果。
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