CN112542684A - 环形稀布天线阵列设计方法及环形稀布天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例是关于一种环形稀布天线阵列设计方法及环形稀布天线。该方法包括以下步骤：确定天线阵面栅格形式和阵列孔径；根据工作频带和扫描范围确定阵面倾角和单元间距；根据方向图确定阵面幅度加权形式；根据阵面幅度加权形式、波束宽度和增益要求，选择阵面面积，结合副瓣电平确定阵面的形状，每个阵面包括多个子阵，对子阵进行规则的环形稀布；根据天线阵面面积和单元间距得到环形稀布天线。本发明通过在规则满阵布局的基础上规则稀布，实现与满阵扫描空域和扫描增益一致的情况下，减少阵列单元数，降低成本。由于规则稀布阵面布局，便于加工、生产和阵列波束控制，降低成本，并且便于该类型稀布天线的阵列分析和综合。

Description

环形稀布天线阵列设计方法及环形稀布天线

技术领域

本发明实施例涉及阵列天线技术领域，尤其涉及一种环形稀布天线阵列设计方法及环形稀布天线。

背景技术

相控阵天线具有快速的波束扫描、灵活的波束赋形、较高的可靠性等优点，广泛应用于雷达和无线通信领域。在设计天线时性能价格比是一个极重要因素。阵列天线口径越大，则波束越窄，增益越高，所需的阵元也就越大，当天线需要大的空域扫描范围时，所需的阵元也就更多。在许多应用领域，只需要天线有窄的波束以提高角分辨率，而不要求高的天线增益，这就使设计阵元数目大大减少的稀布阵列天线成为可能。

稀布阵列的设计在要求的扫描空域内，不能出现栅瓣。按照阵面栅格形式划分，可以分为规则排列阵和随机排列阵。现有稀布天线技术主要有密度加权阵(通过阵元的密度加权来模拟满阵的幅度加权，以较少的阵元实现较低的旁瓣)、环形阵、旋转变形阵和随机排列阵等。上述现有稀布技术均属于随机稀布或者随机排列稀布技术，这导致天线有效单元位置随机或者规律性差，结构设计、散热和控制存在较大的问题，并且由于单元位置规律性差，对阵列天线单元性能的分析也带来了难度。

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实施方式提供背景或上下文。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环形稀布天线阵列设计方法及环形稀布天线，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，提供一种环形稀布天线阵列设计方法，包括以下步骤：

确定天线阵面栅格形式，确定天线阵列孔径；

根据工作频带和扫描范围确定天线的阵面倾角和单元间距；

根据方向图确定阵面幅度加权形式；

根据阵面幅度加权形式、波束宽度和增益要求，选择阵面面积，结合副瓣电平确定阵面的形状，每个阵面包括多个子阵，对子阵进行规则的环形稀布；

根据天线阵面面积和单元间距得到所述环形稀布天线阵列。

本公开的一实施例中，所述天线阵面栅格为矩形栅格。

本公开的一实施例中，所述天线阵面栅格为三角形栅格。

本公开的一实施例中，所述子阵的阵面为近似圆形。

本公开的一实施例中，对子阵进行规则的环形稀布的步骤为：

根据天线阵列的参数判断天线阵列是否满足阵列稀布条件，对满足阵列稀布条件的天线阵列进行稀布，形成环形稀布阵面。

本公开的一实施例中，设近似圆形的的子阵的阵面的半径为a，环形稀布的内环半径为R₁、外环半径为R₂，子阵级单元位置(X_i,Y_j)，当

时，该天线阵列满足阵列稀布条件；当

且

时，该天线阵列不满足阵列稀布条件，其中，i、j分别代表不同单元位置的X轴和Y轴的坐标序号。

本公开的一实施例中，所述环形稀布天线的远场方向图用下式表示：

式中，

θ、

为球坐标系下的阵列角度，

为单元因子，S为环形稀布天线的阵面布局，其中，i、j分别代表不同单元位置的X轴和Y轴的坐标序号，k为波传输常数。

本公开的一实施例中，所述环形稀布天线的馈电幅度为等效馈电幅度。

本公开的一实施例中，所述阵面的形状为圆形阵面、矩形阵面或椭圆阵面。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种环形稀布天线，由上述任一实施例环形稀布天线阵列设计方法设计而成。

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，通过在规则满阵布局的基础上规则稀布，实现与满阵扫描空域和扫描增益一致的情况下，减少阵列单元数，大大降低相控阵天线成本。由于环形稀布相控阵天线为规则稀布阵面布局，便于结构加工、生产和阵列波束控制，进一步降低相控阵天线成本，并且由于规则稀布天线单元位置环境一致，具有规律性，便于该类型稀布天线的阵列分析和综合。

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环形稀布天线阵列设计方法步骤图；

图2示出本发明示例性实施例中相控阵天线阵面子阵式栅格图；

图3示出本发明示例性实施例中环形稀布相控阵天线示意图；

图4示出本发明示例性实施例中相控阵天线扫描空域图；

图5示出现有技术中的相控阵天线满阵阵面布局图；

图6示出现有技术中满阵相控阵天线发态方向图；

图7示出现有技术中满阵相控阵天线收态方向图；

图8示出本发明示例性实施例中环形稀布相控阵天线阵面布局图；

图9示出本发明示例性实施例中环形稀布相控阵天线等效幅度分布图；

图10示出本发明示例性实施例中环形稀布相控阵天线发态方向图；

图11示出本发明示例性实施例中环形稀布相控阵天线收态方向图。

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。

如背景技术部分所描述的内容，相关技术的有多种设计稀布阵列天线的方法，但发明人发现至少存在如下一些技术问题，例如：天线各项性能不高，栅瓣影响大，天线成本高，副瓣影响大等。

为了解决上述问题，本示例实施方式中首先提供了一种环形稀布天线阵列的设计方法，参考图1中所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤S100：确定天线阵面栅格形式，确定天线阵列孔径；

步骤S200：根据工作频带和扫描范围确定天线的阵面倾角和单元间距；

步骤S300：根据方向图确定阵面幅度加权形式；

步骤S400：根据阵面幅度加权形式、波束宽度和增益要求，选择阵面面积，结合副瓣电平确定阵面的形状，每个阵面包括多个子阵，对子阵进行规则的环形稀布；

步骤S500：根据天线阵面面积和单元间距得到所述环形稀布天线。

通过在规则满阵布局的基础上规则稀布，实现与满阵扫描空域和扫描增益一致的情况下，减少阵列单元数，大大降低相控阵天线成本。由于环形稀布相控阵天线为规则稀布阵面布局，便于结构加工、生产和阵列波束控制，进一步降低相控阵天线成本，并且由于规则稀布天线单元位置环境一致，具有规律性，便于该类型稀布天线的阵列分析和综合。

可选的，在一些实施例中，所述天线阵面栅格为矩形栅格，但也不限于此，可以选择多种栅格形式进行布局。

可选的，在一些实施例中，所述天线阵面栅格为三角形栅格，三角形栅格布局所需要的单元数量更少，可以减少相控阵天线的成本。

可选的，在一些实施例中，所述子阵的阵面为近似圆形，采用近似圆形的子阵阵面，方便设计。采用近似圆阵可以不加权的情况下实现-16dB的副瓣电平，采用本技术方案后，可以不加权的情况下实现更低的可设计的副瓣电平。

可选的，在一些实施例中，对子阵进行规则的环形稀布的步骤为：

根据天线阵列的参数判断天线阵列是否满足阵列稀布条件，对满足阵列稀布条件的天线阵列进行稀布，形成环形稀布阵面。

可选的，在一些实施例中，设近似圆形的的子阵的阵面的半径为a，环形稀布的内环半径为R₁、外环半径为R₂，子阵级单元位置(X_i,Y_j)，当

时，该天线阵列满足阵列稀布条件；当

且

时，该天线阵列不满足阵列稀布条件，其中，i、j分别代表不同单元位置的X轴和Y轴的坐标序号。

可选的，在一些实施例中，所述环形稀布天线的远场方向图用下式表示：

式中，

θ、

为球坐标系下的阵列角度，

为单元因子，S为环形稀布天线的阵面布局，其中，i、j分别代表不同单元位置的X轴和Y轴的坐标序号，k为波传输常数。

可选的，在一些实施例中，所述环形稀布天线的馈电幅度为等效馈电幅度。采用遗传算法或者粒子群算法对环形稀布的外环半径为R₂，内环半径为R₁进行优化，优化目标设置为高权重副瓣电平、高权重子阵数量和阵列增益，实现环形稀布阵列布局。将上述设计的规则满阵天线进行规则的稀布，在保证稀布后天线以阵元密度来模拟满阵等效馈电幅度和满阵天线性能(主要是指波束宽度和副瓣电平)的情况下，尽可能减少单元数量，来达到降低天线成本的目的。

可选的，在一些实施例中，所述阵面的形状为圆形阵面、矩形阵面或椭圆阵面，可以利用上述设计方法设计不同形状的阵面。

环形稀布相控阵天线相对于现有稀布技术的优点如下：

(1)环形稀布相控阵天线可以保证与满阵扫描空域和扫描增益一致的情况下，减少阵列单元数，大大降低相控阵天线成本，可以实现低副瓣等效幅度分布。并且可以在不需要幅度加权的情况下，降低环形稀布相控阵天线的副瓣电平，提高天线的口径效率，降低稀布对阵列天线增益的损失。实现和满阵阵列天线几乎相同的收发副瓣电平、收发波束宽度、收发天线增益一致性等性能指标；

(2)环形稀布相控阵天线为规则阵面布局，便于结构加工、生产和阵列波束控制，进一步降低降低相控阵天线成本；

(3)稀布天线辐射单元规则有序，便于该类型天线的分析和综合，简化稀布天线的设计，降低稀布天线设计成本。

经过试验得到，本方法的稀布率达到30％-40％，副瓣变化小于2dB，束波宽度的变化小于10％的束波宽度。

本发明还提供一种环形稀布天线，由上述任一一个实施例中所述的环形稀布天线阵列设计方法设计而成。

通过在规则满阵布局的基础上规则稀布，实现与满阵扫描空域和扫描增益一致的情况下，减少阵列单元数，大大降低相控阵天线成本。由于环形稀布相控阵天线为规则稀布阵面布局，便于结构加工、生产和阵列波束控制，进一步降低相控阵天线成本，并且由于规则稀布天线单元位置环境一致，具有规律性，便于该类型稀布天线的阵列分析和综合。

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 (10)

1.一种环形稀布天线阵列设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定天线阵面栅格形式，确定天线阵列孔径；

根据工作频带和扫描范围确定天线的阵面倾角和单元间距；

根据方向图确定阵面幅度加权形式；

根据阵面幅度加权形式、波束宽度和增益要求，选择阵面面积，结合副瓣电平确定阵面的形状，每个阵面包括多个子阵，对子阵进行规则的环形稀布；

根据天线阵面面积和单元间距得到所述环形稀布天线。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述天线阵面栅格为矩形栅格。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述天线阵面栅格为三角形栅格。

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述子阵的阵面为近似圆形。

5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，对子阵进行规则的环形稀布的步骤为：

根据天线阵列的参数判断天线阵列是否满足阵列稀布条件，对满足阵列稀布条件的天线阵列进行稀布，形成环形稀布阵面。

6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于，设近似圆形的的子阵的阵面的半径为a，环形稀布的内环半径为R₁、外环半径为R₂，子阵级单元位置(X_i,Y_j)，当

时，该天线阵列满足阵列稀布条件；当

且

时，该天线阵列不满足阵列稀布条件，其中，i、j分别代表不同单元位置的X轴和Y轴的坐标序号。

7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述环形稀布天线的远场方向图用下式表示：

式中，

θ、

为球坐标系下的阵列角度，

为单元因子，S为环形稀布天线的阵面布局，其中，i、j分别代表不同单元位置的X轴和Y轴的坐标序号，k为波传输常数。

8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述环形稀布天线的馈电幅度为等效馈电幅度。

9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述阵面的形状为圆形阵面、矩形阵面或椭圆阵面。

10.一种环形稀布天线，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述环形稀布天线阵列设计方法设计而成。

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