CN111585045B

CN111585045B - 一种多联骨牌稀布天线及其布阵方法

Info

Publication number: CN111585045B
Application number: CN202010430361.5A
Authority: CN
Inventors: 崔卫东; 肖晶; 王国泉; 马凯; 惠兆东; 呼夏苗
Original assignee: Xi'an Yellow River Electromechanical Co ltd
Current assignee: Xi'an Yellow River Electromechanical Co ltd
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: CN111585045A

Abstract

本发明是关于一种多联骨牌稀布天线及其布阵方法。该布阵方法包括：采用一种智能模拟算法，用L型和Z型的四联骨牌，可以对任意大小的阵面实现全覆盖，不会留下不能覆盖的空格。本发明实施例可以有着足够的随机性，可保证阵列天线在较大扫描范围内不出现栅瓣。

Description

一种多联骨牌稀布天线及其布阵方法

技术领域

本发明实施例涉及无线电通讯技术领域，尤其涉及一种多联骨牌稀布天线及其布阵方法。

背景技术

稀布相控阵天线由于其成本低廉，性能优越，在雷达领域有着广泛的应用。R.J.Mailloux提出了一种利用L型或其他形式的多联骨牌型单元，组成稀布相控阵天线.这种形式的稀布阵列口径利用率较高，且阵面分布具有足够的随机性，可大幅降低栅瓣。

相关技术中，实现这种布阵有多种算法。其中有采用遗传算法计算天线阵面的骨牌布阵，遗传算法指通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。还有利用信息熵和分支定价算法计算天线阵面的骨牌布阵，该方法通过骨牌的随机出现的概率提高阵面布阵的随机性。

关于上述技术方案，发明人发现至少存在如下一些技术问题：例如上述这些方法虽然能够获得具有较高随机性的阵面布阵，但都存在阵面不能完全覆盖的情况，这降低了天线阵面的口径利用率，使天线增益下降。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种多联骨牌稀布天线及其布阵方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种多联骨牌稀布天线的多联骨牌布阵方法，包括：

将阵面划分为M×N网格，根据阵面形状在所述M×N网格内设置布阵范围，通过智能模拟算法将多种不同形式的多联骨牌子阵在所述布阵范围内完成随机性布阵；

其中，所述M×N网格的每个格子的尺寸与所述多联骨牌子阵的每个格子的尺寸相同；

其中，所述智能模拟算法对每次填充进行合理性判断，若不合格则再随机产生一个多联骨牌子阵继续本次填充，若合格则完成本次填充，重复以上步骤直至完全填满所述布阵范围。

本发明的一实施例中，在所述智能模拟算法中，所述M×N网格用M×N二维0矩阵表示，每种所述多联骨牌用元素为0或1的二维矩阵表示；其中，0表示空格，1表示填充格。

本发明的一实施例中，在所述智能模拟算法中，判定不合格的情况包括：格子不能被填充的情况、格子有重复填充的情况。

本发明的一实施例中，在所述智能模拟算法中，将所述M×N二维0矩阵的左上角作为初始坐标开始填充，沿第1行第N列的方向填充第1行，然后逐行填充其余布阵范围。

本发明的一实施例中，在所述智能模拟算法中，当所述多联骨牌子阵的中心坐标超出所述布阵范围则不必填充。

本发明的一实施例中，所述阵面分为4个象限，将其中1个象限设置为所述布阵范围以得到1个象限的布阵，其余3个象限的布阵分别通过轴对称翻转得到，从而得到全部阵面的布阵。

本发明的一实施例中，所述多联骨牌子阵包括L型四联骨牌，所述L型四联骨牌包括8种不同的形式。

本发明的一实施例中，所述多联骨牌子阵包括Z型四联骨牌，所述Z型四联骨牌包括4种不同的形式。

本发明的一实施例中，所述多联骨牌子阵的中心坐标为所述多联骨牌二维矩阵中所有非0元素的平均坐标。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种多联骨牌稀布天线，由以上任一项实施例中所述多联骨牌布阵方法布阵而成。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的实施例中，通过上述方法及装置，一方面实现了天线阵面的有效覆盖，阵面充分填充，另一方面，单元分布具有足够的随机性，从而保证天线栅瓣被有效抑制，以提高了天线的扫描范围，另外，降低了阵面的稀布率，从而极大的降低了天线成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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的附图。

图1示出本发明示例性实施例中多联骨牌布阵的布局示意图；

图2示出本发明示例性实施例中8种L型骨牌示意图；

图3示出本发明示例性实施例中4种Z型骨牌示意图；

图4示出本发明示例性实施例中格子不能被填充的情况示意图；

图5示出本发明示例性实施例中多联骨牌稀布天线俯仰和方向图；

图6示出本发明示例性实施例中多联骨牌稀布天线方位和方向图；

图7示出本发明示例性实施例中多联骨牌稀布天线俯仰扫描25°方向图；

图8示出本发明示例性实施例中多联骨牌稀布天线方位扫描25°方向图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

本示例实施方式中首先提供了一种多联骨牌稀布天线的多联骨牌布阵方法。参考图1中所示，该多联骨牌布阵方法可以包括：

将阵面划分为M×N网格，根据阵面形状在M×N网格内设置布阵范围，通过智能模拟算法将多种不同形式的多联骨牌子阵在布阵范围内完成随机性布阵；其中，M×N网格的每个格子的尺寸与多联骨牌子阵的每个格子的尺寸相同；其中，智能模拟算法对每次填充进行合理性判断，若不合格则再随机产生一个多联骨牌子阵继续本次填充，若合格则完成本次填充，重复以上步骤直至完全填满布阵范围。

因为可以根据阵面的大小和形状自行设置布阵范围，如阵面的形状可以是矩形、圆形或椭圆形等，所以对于任意大小形状的阵面都可以对其实现布阵。需要理解的是，M×N网格对于阵面应实现完全覆盖。另外，由于在填充每一个多联骨牌子阵时都会判断合理性，从而确保了阵面不会出现没有填充的空格。同时，每一个多联骨牌子阵都是随机产生的，从而确保了整个阵面布阵的随机性。随机分布的子阵在主瓣以外的方向不会同相叠加，从而不会产生与主瓣相同的最大值，即抑制了天线的栅瓣效应，从而可以提高天线的扫描范围。

通过上述多联骨牌布阵方法，一方面实现了天线阵面的有效覆盖，阵面充分填充，另一方面，单元分布具有足够的随机性，从而保证天线栅瓣被有效抑制，以提高了天线的扫描范围，另外，降低了阵面的稀布率，从而极大的降低了天线成本。

下面，将参考图1至图8对本示例实施方式进行更详细的说明。

在一实施例中，在智能模拟算法中，M×N网格用M×N二维0矩阵表示，每种所述多联骨牌用元素为0或1的二维矩阵表示；其中，0表示空格，1表示填充格。

在一具体实施例中，参考图2-3所示，多联骨牌子阵包括L型四联骨牌，L型四联骨牌包括8种不同的形式。多联骨牌子阵还可以包括Z型四联骨牌，Z型四联骨牌包括4种不同的形式。这些多联骨牌子阵可以用以下矩阵表示：

L型骨牌1

L型骨牌2

L型骨牌3

L型骨牌4

L型骨牌5

L型骨牌6

L型骨牌7

L型骨牌8

Z型骨牌1

Z型骨牌2

Z型骨牌3

Z型骨牌4

多联骨牌的形式并不仅限于以上这12中形式，例如还可以有T型骨牌矩阵为

等其他多种形式的多联骨牌。

其中，需要理解的是，每种骨牌矩阵的左上角位置作为骨牌矩阵的位置信息，即骨牌矩阵的第1行第1列作为位置信息。另外，当对M×N二维0矩阵进行填充时，根据骨牌矩阵第1行中第一个非0元素所在的列数(如j列)进行反向平移，平移量为j-1。例如，当从左向右填充至第5行第8列即(5,8)的空格，将要填充的骨牌矩阵为L型骨牌2，其第1行中第一个非0元素在第3列，可知j为3，向左平移2格，则L型骨牌2填充至第5行第6列即(5,6)的空格。

同时，每种骨牌矩阵的所有非零元素的平均坐标为该骨牌子阵的中心坐标。以L型骨牌1为例，若网格中每个格子的长度为d，则L型骨牌1内每个格子的坐标可表示为：

则所以非0元素的x轴平均坐标为

所以非0元素的y轴平均坐标为

最终可得L型骨牌1的中心坐标为(5d/4,3d/4)。

另外，还需要理解的是，由于通过矩阵进行计算时，y轴的方向为向下的，而在成像显示时y轴的方向为向上的。所以通常矩阵在显示时与矩阵本身是上下颠倒的。例如，参考图2-3所示的骨牌显示示意图，与上述的骨牌矩阵是上下颠倒的。对于M×N二维0矩阵从左上角即(1,1)开始填充，在成像时对于M×N网格则是从左下角开始填充的。

在一实施例中，参考图4所示，在智能模拟算法中，判定不合格的情况包括：格子不能被填充的情况、格子有重复填充的情况。需要理解的是，矩阵元素大于1，则表示有重复填充的情况。格子不能被填充的情况包括图4所示的，被包围的封闭点，倒T型区域等。

另外，在同一个空格填充过程中，若多次填充都被判定为不合格时，则取消上两次的填充操作，再次填充。

在一实施例中，在智能模拟算法中，将M×N二维0矩阵的左上角作为初始坐标开始填充，沿第1行第N列的方向填充第1行，然后逐行填充其余布阵范围。另外，当多联骨牌子阵的中心坐标超出所述布阵范围则不必填充。

在一实施例中，阵面分为4个象限，将其中1个象限设置为布阵范围以得到1个象限的布阵，其余3个象限的布阵分别通过轴对称翻转得到，从而得到全部阵面的布阵。需要理解的是，很多情况下，都会要求阵面为轴对称分布，以便于天线形成差波束。

下面，通过一更加具体的实施例来说明本示例实施方式。

参考图1至图8所示，一个口径为800mm×900mm的椭圆形阵面，采用多联骨牌的形式随机分布。骨牌中每格的尺寸为8.5mm，则对于1/4阵面，初始可以用一个50×55的二维0矩阵A表示。多联骨牌子阵采用8种形式的L型骨牌和4种形式的Z型骨牌，共12种多联骨牌。

以每种骨牌矩阵的左上角位置作为该矩阵的位置信息，所有非零元素的平均坐标为该骨牌子阵的中心坐标。

从二维0矩阵A的第1行第1列开始填充，随机产生一个m×n(2×3或3×2)的骨牌矩阵B，二维0矩阵A的1到m行，1到n列的子矩阵A(1:m,1:n)与矩阵B相加，若A(1,1)不为0，则填充完成。继续第一行第二列的填充，即判断A(1,2)是否为0，若为1，则继续下一列，若为0，则再随机产生一个骨牌矩阵B，重复以上步骤。

若填充到矩阵A的(M_k，N_k)个空格，随机产生的m×n的骨牌矩阵B，骨牌矩阵B的第1行第一个非0元素在j列，则需要填充的子矩阵为(M_k:M_k+m-1，N_k-j+1:N_k-j+n)，即该子矩阵与矩阵B相加。

填充完成后，要对填充的合理性进行判断，参考图4所示，若存在以下情况。

1.矩阵A存在封闭点；

2.矩阵A存在倒T型区域；

3.矩阵元素大于1，有重复填充的情况

则取消这次填充，再次随机产生一个骨牌矩阵B，并重复以上步骤，若在同一个填充点多次填充，都不能满足要求，就取消上两次的填充操作，再次填充。

同时，每次填充前，判断该区域是否在要求的椭圆阵面内，若超出阵面范围，就不填充。经过多次迭代操作后，就完成了要求区域的填充，再经过轴对称翻转，就得到了全阵面的骨牌阵列分布，参考图1所示，阵面被完全覆盖，每个阵列单元随机分布，阵列栅瓣被完全抑制。

参考图5至图8所示的天线仿真方向图，可以看出，天线栅瓣被完全抑制，扫描到25°时，也没有出现栅瓣。

本示例实施方式还可以提供一种多联骨牌稀布天线，该多联骨牌稀布天线包括上述任一实施例中的多联骨牌布阵方法。该天线还可以包括共形天线罩、TR组件、馈电网络、波控器、电源与封装外壳等，当然并不限于此，这些均可参考现有技术，此处不再详述。

通过上述的多联骨牌稀布天线，一方面由于采用智能模拟算法，实现了天线阵面的有效覆盖，阵面充分填充，另一方面单元分布具有足够的随机性，保证天线栅瓣被有效抑制，天线可以扫描较大的范围，同时整个阵面的稀布率可以达到30％，极大地降低了天线成本。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims

1.一种多联骨牌稀布天线的多联骨牌布阵方法，其特征在于，包括：

将阵面划分为M×N网格，根据阵面形状在所述M×N网格内设置布阵范围，通过随机产生多联骨牌子阵，由智能模拟算法将多种不同形式的多联骨牌子阵在所述布阵范围内完成随机性布阵；

其中，所述M×N网格的每个格子的尺寸与所述多联骨牌子阵的每个格子的尺寸相同，每个所述多联骨牌子阵含有多个格子；

其中，所述智能模拟算法在逐行或逐列进行填充时，随机产生一个多联骨牌子阵对当前行或列的下一个未填充的格子进行填充，并对所述多联骨牌子阵的填充位置进行合理性判断，若不合格则再随机产生一个多联骨牌子阵继续本次填充，若合格则完成本次填充，重复产生多联骨牌子阵并进行填充和合理性判断直至完全填满所述布阵范围；

其中，在所述智能模拟算法中，判定不合格的情况包括：格子不能被填充的情况、格子有重复填充的情况。

2.根据权利要求1所述多联骨牌布阵方法，其特征在于，在所述智能模拟算法中，所述M×N网格用M×N二维0矩阵表示，每种所述多联骨牌用元素为0或1的二维矩阵表示；其中，0表示空格，1表示填充格。

3.根据权利要求2所述多联骨牌布阵方法，其特征在于，在所述智能模拟算法中，将所述M×N二维0矩阵的左上角作为初始坐标开始填充，沿第1行第N列的方向填充第1行，然后逐行填充其余布阵范围。

4.根据权利要求1所述多联骨牌布阵方法，其特征在于，在所述智能模拟算法中，当所述多联骨牌子阵的中心坐标超出所述布阵范围则不必填充。

5.根据权利要求1所述多联骨牌布阵方法，其特征在于，所述阵面分为4个象限，将其中1个象限设置为所述布阵范围以得到1个象限的布阵，其余3个象限的布阵分别通过轴对称翻转得到，从而得到全部阵面的布阵。

6.根据权利要求1所述多联骨牌布阵方法，其特征在于，所述多联骨牌子阵包括L型四联骨牌，所述L型四联骨牌包括8种不同的形式。

7.根据权利要求1所述多联骨牌布阵方法，其特征在于，所述多联骨牌子阵包括Z型四联骨牌，所述Z型四联骨牌包括4种不同的形式。

8.根据权利要求4所述多联骨牌布阵方法，其特征在于，所述多联骨牌子阵的中心坐标为所述多联骨牌二维矩阵中所有非0元素的平均坐标。

9.一种多联骨牌稀布天线，其特征在于，由权利要求1-8中任一项所述多联骨牌布阵方法布阵而成。