CN111180901A - 一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法，其改进之处在于，包括如下步骤：由高频电离层传播理论和通信或压制距离计算出高频宽带阵列俯仰面扫描范围，进而确定宽带阵面法向角；（2）确定高频斜极化非相似宽带单元天线结构及布局方式；（3）根据高频阵列工作频率，确定边缘正镜像结构：在该阵列顶部增加寄生反射体。本发明所公开高频精准压制的宽带阵列组阵方法，具有科学研究价值和军事应用前景，为类似高频宽带天线阵等设计和研究提供了一种新的技术路线，也为超宽带系统的应用提供了有力支持。

Description

一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法及装置
技术领域
本发明属于精准电磁和通信干扰研究领域，特别涉及该领域中的一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法及装置。
背景技术
高频阵列天线是以若干个天线单元而组成的，它以多付天线同时发射(或接收)，组合形成高增益、窄波束。可用于广播、通信、电子对抗等领域，是目前国内外国防建设、国防研究的新热点和重点电子战发展的新领域。对于目标在2000～3000km范围内的通信或压制的天线选型为对数周期天线阵(水平或垂直)和同相水平天线(水平)，目前还没有合适的天线阵符合500～3000公里的精准通信或压制需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法及装置。
本发明采用如下技术方案：
一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
(1)由高频电离层传播理论和通信或压制距离计算出高频宽带阵列俯仰面扫描范围，进而确定宽带阵面法向角：
电波传播模式取1F2模式，计算波束中心仰角时控制点反射高度hr取220km～420km，大圆距离从400km至4000km计算，为通信或压制在500km～3000km大圆距离上的信号，阵列发射仰角在10°～50°范围内，因此为精准通信或压制近远距离信号，其高频阵列阵面法向角选为30°；
(2)确定高频斜极化非相似宽带单元天线结构及布局方式：
提出一种高频斜极化的非相似宽带单元天线，由于偶极天线是双向辐射，为了使其单向辐射增加反射网，并采用双层结构的小型化天线；
(3)根据高频阵列工作频率，确定边缘正镜像结构：在该阵列顶部增加寄生反射体。
一种高频精准压制的宽带阵列装置，使用上述的组阵方法，其改进之处在于：包括两个以上倾斜布置的斜极化非相似宽带单元天线，在地面上与单元天线相对的位置铺设第一反射网，在单元天线向地面辐射的区域内架设从第一反射网的后端伸向天空并与单元天线平行的第二反射网，在第二反射网的顶端安装与单元天线相对的第三反射网。
进一步的，单元天线为低频天线或高频天线。
进一步的，单元天线为3×3斜极化非相似单元宽带天线阵。
本发明的有益效果是：
本发明所公开高频精准压制的宽带阵列组阵方法，具有科学研究价值和军事应用前景，为类似高频宽带天线阵等设计和研究提供了一种新的技术路线，也为超宽带系统的应用提供了有力支持。
本发明所公开高频精准压制的宽带阵列装置，覆盖国内所有同类阵列性能指标，弥补了阵列在高频不能俯仰扫描的缺点。减小了高频阵列受地面镜像的影响，增加了阵列的水平扫描范围，进而提高阵列效用。现有小型化宽带高频阵列中，常增加寄生单元改善有限阵列边缘效应，而本发明则利用正镜像方法改善有限宽带阵列的边缘效应。该相控阵阵列结构形式填补了国内外高频平面相控阵空白，可实现方位角和俯仰角的精准扫描或合成，为系统大领域通信、广播或对抗压制提供了可能和条件。
附图说明
图1是1F2模式下发射仰角与大圆距离的关系分布图；
图2是斜极化非相似单元宽带天线阵；
图3是阵中不同单元的镜像；
图4是3×3斜极化非相似单元宽带天线阵；
图5是3×3斜极化天线阵单元方向图；
图6是3×3斜极化天线阵单元不同方位角和仰角阵列合成方向图；
图7是3×3斜极化天线阵单元不同网络条件下的单元驻波比；
图8是3×3斜极化天线阵单元不同网络条件下的阵列效率；
图9是增加寄生反射体的高频精准相控阵；
图10是增加寄生反射体前后的驻波比示意图。
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，以下结合附图和实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例公开了一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法，包括如下步骤：
(1)由高频电离层传播理论和通信或压制距离计算出高频宽带阵列俯仰面扫描范围，进而确定宽带阵面法向角：
短波信号接收需要依靠电离层，来波射线仰角与电离层高度状态密切相关。电离层平面分层主要有D层、E层、F层，D层主要对短波波段信号起吸收作用；E层在日出时迅速出现，日落时迅速消失，其高度一般约在90～140km；F层是电离层经常存在，且电子浓度最大的层，高度在140km以上，夏季白天F层分为上下两层，下层是F1层，上层是F2层。F1层高度约在140km～210km之间，F2主要受电离扩散和地球磁场控制，夏季高度在300km～450km，冬季在250～350km之间。F2层是短波无线电通信的重要区域。
根据中国电离层参考模型，对E层反射模式，控制点反射高度可以近似为115km，对F2层反射模式而言，该控制点高度可以用下式计算：hr＝1490/M(3000)F2-176(km)或500km中取较小的值。M(3000)F2因子与电离层状态相关。对于大圆距离小于2000km，电波传播主要是单跳模式传播，1E和1F2模式都可能存在。F2层一跳最大为4000km。根据上述情况，为了简化电波仰角计算，电波传播模式取1F2模式，计算波束中心仰角时控制点反射高度hr取220km～420km。图1给出了1跳F2传播模式射线仰角与大圆距离关系分布图，大圆距离从400km至4000km计算。
可以看出为通信或压制在500km～3000km大圆距离上的信号，阵列发射仰角基本集中在10°～50°范围内。因此为精准通信/压制近远距离信号，其高频阵列阵面法向角选为30°。
在高频大功率相控阵的应用方面，国内比较具有代表性的有高频超大功率干扰阵列(水平对数周期天线)、天波超视距雷达发射阵列(垂直对数周期天线)和用于广播和通信的帘幕阵天线(水平折合振子天线)等。此类天线在频段内受地面负镜像影响较大，在垂直面内不能产生合适的阵列单元方向图，无法实现系统在纵深领域中的精准压制要求。
(2)确定高频斜极化非相似宽带单元天线结构及布局方式：
高频天线在垂直面内排列，地面的镜像作用十分明显，使得垂直面内两个阵元之间的基线相位差变化不再像自由空间那样随着俯仰角变化而有规律地变化，为此需要提出一种高频斜极化的非相似宽带单元天线，见图2中低频(高频)天线1和低频(高频)天线2等。由于偶极天线是双向辐射，为了使其单向辐射增加反射网，用以提高天线的增益以及降低背向辐射。根据反射网的定向天线特性，为便于方向图和增益稳定，其定向天线面应限制在一定高度内，因此方案中采用双层结构的小型化天线。
从图2知道，低频(高频)天线1主要受地面正镜像影响，其波束指向由馈电点距离地面的高度、馈电点与反射网2之间距离确定，而天线2受地面影响稍小。图3给出了不同单元的阵列中的镜像作用，由于单元天线2距离地面较远，受地面镜像较小，图中没有给出单元天线2与地面之间的镜像。
单元天线1和其三个镜像合成的辐射场强矢量和为:
Figure BDA0002381839090000041
单元天线2和其镜像合成的辐射场强矢量和为:
Figure BDA0002381839090000042
为达到远近距离(500公里—3000公里)精准通信/压制效果，其阵面法向角为30°(图中θt＝30°)。图4为3×3斜极化非相似单元宽带天线阵，图中数字为单元标识。
图5给出了3×3平面阵列的阵中单元方向图，阵面法向角为20°(图中θt＝70°，调整θt角度可以改变最大波束指向)。
从计算的方向图看出，其阵中单元主要波束指向仰角为25°，同时波束宽度也可满足垂直面扫描要求，从而符合高频宽带精准压制功能需要。图6给出了由该单元组成的3×3阵列在不同方位角和仰角的合成方向图，图中theta角度为最大射线与地面之间的夹角，phi为方位角(90°为阵列法向方向)。
进一步计算表明，在该高频天线阵中运用多种极化模式，并同时选择合适的单元天线满足系统在宽范围、大纵深空域、多极化信号的压制或通信要求。
(3)根据高频阵列工作频率，确定边缘正镜像结构：
为提高阵列带宽，高频有限阵列采用阵列环境和匹配网络一体化设计技术。分析表明在低频段受耦合环境影响较大，尤其是最边缘单元的有源阻抗部分。图7，图8采用不同匹配网络弥补边缘单元天线之间的差异性，与单个网络比较可优化单元天线与激励源之间的匹配，但对改善阵列性能不明显。
为减小匹配网络复杂度，同时提高工程可实现性，本实施例提出在该阵列顶部增加寄生反射体(见图9中反射网3)，可降低阵列边缘效应的影响。另计算表明，该反射体一方面改善边缘单元的有源阻抗(见图10)，还可减小阵列在高频段的副瓣电平。
本实施例还公开了一种高频精准压制的宽带阵列装置，使用上述的组阵方法，包括两个以上倾斜布置的斜极化非相似宽带单元天线，在地面上与单元天线相对的位置铺设第一反射网，在单元天线向地面辐射的区域内架设从第一反射网的后端伸向天空并与单元天线平行的第二反射网，在第二反射网的顶端安装与单元天线相对的第三反射网。单元天线为低频天线或高频天线。单元天线为3×3斜极化非相似单元宽带天线阵。

Claims (4)

1.一种高频精准压制的宽带阵列组阵方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)由高频电离层传播理论和通信或压制距离计算出高频宽带阵列俯仰面扫描范围，进而确定宽带阵面法向角：
电波传播模式取1F2模式，计算波束中心仰角时控制点反射高度hr取220km～420km，大圆距离从400km至4000km计算，为通信或压制在500km～3000km大圆距离上的信号，阵列发射仰角在10°～50°范围内，因此为精准通信或压制近远距离信号，其高频阵列阵面法向角选为30°；
(2)确定高频斜极化非相似宽带单元天线结构及布局方式：
提出一种高频斜极化的非相似宽带单元天线，由于偶极天线是双向辐射，为了使其单向辐射增加反射网，并采用双层结构的小型化天线；
(3)根据高频阵列工作频率，确定边缘正镜像结构：在该阵列顶部增加寄生反射体。
2.一种高频精准压制的宽带阵列装置，使用权利要求1所述的组阵方法，其特征在于：包括两个以上倾斜布置的斜极化非相似宽带单元天线，在地面上与单元天线相对的位置铺设第一反射网，在单元天线向地面辐射的区域内架设从第一反射网的后端伸向天空并与单元天线平行的第二反射网，在第二反射网的顶端安装与单元天线相对的第三反射网。
3.根据权利要求2所述的高频精准压制的宽带阵列装置，其特征在于：单元天线为低频天线或高频天线。
4.根据权利要求2所述的高频精准压制的宽带阵列装置，其特征在于：单元天线为3×3斜极化非相似单元宽带天线阵。
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