CN112821090B - 一种稀布阵列天线布局方法及稀布阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种稀布阵列天线布局方法及稀布阵列天线。该方法包括：确定规则单元子阵的第一参数，第一参数包括构成该单元子阵的天线单元数量、排布方式及各天线单元间的间距；根据各天线单元的间距及该间距的扰动量确定规则天线子阵的第二参数，第二参数包括构成天线子阵的单元子阵的数量、排布方式及各单元子阵间的间距；通过将多个天线子阵随机稀布于阵列天线的预设区域，并将该预设区域内的天线子阵进行多次对称变换，从而形成最终的阵列天线。本发明可以最大限度的抑制栅瓣，降低天线成本；另外，规则分布的小型天线子阵，易于T/R组件批量生产，集成化轻薄型的射频前端，极大地减轻了天线重量。

Description

一种稀布阵列天线布局方法及稀布阵列天线

技术领域

本发明涉及无线电通讯技术领域，尤其涉及一种稀布阵列天线布局方法及稀布阵列天线。

背景技术

随着电子技术的发展和形式的需要，对雷达的体积重量要求越来越严格，希望研制重量轻，体积小，轻薄型的雷达天线。

瓦片式TR组件具有轻薄型的特点，将其与低剖面天线结合，就可以实现轻薄型的有源相控阵天线。目前，这种天线形式已经有多种方案，例如文献《一种Ka频段瓦片式TR组件子阵集成方案》(电讯技术，2012年，52(7))中介绍的一种Ka频段瓦片式TR组件子阵集成方案，采用多层电路技术、内层带状线功分器、优化脊波导口径、同型端口集中分布等手段大幅提高集成度。

稀布天线具有低成本的特点，利用单元的随机分布，抑制天线栅瓣的形成。上述文献利用遗传算法优化天线阵面布局，得到具有较低副瓣的稀布阵列天线。

大部分的稀布天线都是利用阵面单元的随机分布实现较低的副瓣，这不利于后端TR组件的集成设计。若稀布天线采用子阵随机稀布的方式，虽然TR组件可以集成设计，但是这种稀布方式稀布率较高，不能扫描较大的范围。因此，有必要提供一种新的技术方案改善上述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

本发明的目的在于提供一种稀布阵列天线布局方法及稀布阵列天线，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，提供一种稀布阵列天线布局方法，该方法包括：

确定规则单元子阵的第一参数，所述第一参数包括构成该单元子阵的天线单元数量、排布方式及各所述天线单元间的间距；

根据各所述天线单元的间距及该间距的扰动量确定规则天线子阵的第二参数，所述第二参数包括构成所述天线子阵的所述单元子阵的数量、排布方式及各所述单元子阵间的间距；

通过将多个所述天线子阵随机稀布于所述阵列天线的预设区域，并将该预设区域内的天线子阵进行多次对称变换，从而形成最终的阵列天线。

本发明的实施例中，所述稀布阵列天线为圆形稀布阵列天线，且所述预设区域为所述圆环状稀布阵列天线中的至少一个象限区域。

本发明的实施例中，构成所述单元子阵的天线单元数为4个，且通过2×2个天线单元进行规则排布设置。

本发明的实施例中，两个所述天线单元在第一方向的间距为dx，两个所述天线单元在第二方向的间距为dy，且所述第一方向与第二方向互相垂直。

本发明的实施例中，构成所述天线子阵的单元子阵数量为4个，且通过2×2个单元子阵进行规则排布设置。

本发明的实施例中，两个所述单元子阵在第一方向的间距为2dx+Δx，两个所述单元子阵在第二方向的间距为2dy+Δy。

本发明的实施例中，所述Δx，Δy分别为相邻所述天线单元间距的扰动量，且所述Δx＝2dx/3，所述Δy＝2dy/3。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种稀布阵列天线，由上述实施例所述稀布阵列天线布局方法设计而成，该天线包括：

本发明的实施例中，天线射频前端，包括辐射单元层和T/R组件层，且所述辐射单元层与所述T/R组件层通过垂直互联进行连接；

散热层，设置于所述天线射频前端下方，以将所述天线射频前端生成的热量及时散出；

控制层，设置于所述散热层下方，且与所述T/R组件层相连；

馈电网络层，设置于所述控制层下方，用于完成射频信号到所述天线子阵的分配。

本发明的实施例中，所述辐射单元层为微带双层贴片辐射单元，且该微带双层贴片辐射单元包括上层贴片和下层贴片。

本发明的实施例中，所述天线射频前端还包括基板，该基板用于安装所述T/R组件层中的T/R模块，且所述T/R模块通过垂直互联方式与所述辐射单元层中的天线单元连接。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的一种实施例中，根据上述实施例提供的稀布阵列天线布局方法，通过天线单元构成规则的单元子阵，然后由单元子阵构成规则的天线子阵，再由小型的天线子阵在天线阵面利用密度加权稀布天线布阵，天线子阵的随机分布，能够最大限度的抑制栅瓣，天线的稀布率可降低到45％，从而降低了天线成本；另外，规则分布的小型天线子阵，易于T/R组件批量生产，集成化轻薄型的射频前端，极大地减轻了天线重量。

附图说明

图1示出本发明示例性实施例中稀布阵列天线布局方法的流程图；

图2示出本发明示例性实施例中稀布阵列天线的阵面图；

图3示出本发明示例性实施例中稀布阵列天线中天线子阵的布局图；

图4示出本发明示例性实施例中射频前端的结构示意图；

图5示出本发明示例性实施例中稀布阵列天线的结构示意图；

图6示出本发明示例性实施例中密度加权随机分布天线俯仰方向图；

图7示出本发明示例性实施例中密度加权随机分布天线方位方向图；

图8示出本发明示例性实施例中密度加权随机分布天线方位扫描方向图；

图9示出本发明示例性实施例中密度加权随机分布天线俯仰扫描方向图。

图中：天线单元102；单元子阵101；天线子阵100；天线射频前端200；辐射单元层201；T/R组件层202；散热层205；控制层206；馈电网络层207；后盖板208；上层贴片2011；下层贴片2012；T/R模块2021；基板204；垂直互联203；天线地2013。

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稀布阵列天线布局方法。参考图1中所示，该方法可以包括：

步骤S101：确定规则单元子阵101的第一参数，所述第一参数包括构成该单元子阵101的天线单元102数量、排布方式及各所述天线单元102间的间距。

步骤S102：根据各所述天线单元102的间距及该间距的扰动量确定规则天线子阵100的第二参数，所述第二参数包括构成所述天线子阵100的所述单元子阵101的数量、排布方式及各所述单元子阵101间的间距。

步骤S103：通过将多个所述天线子阵100随机稀布于所述阵列天线的预设区域，并将该预设区域内的天线子阵100进行多次对称变换，从而形成最终的阵列天线。

根据上述实施例提供的稀布阵列天线布局方法，通过天线单元102构成规则的单元子阵101，然后由单元子阵101构成规则的天线子阵100，再由小型的天线子阵100在天线阵面利用密度加权稀布天线布阵，天线子阵100的随机分布，能够最大限度的抑制栅瓣，天线的稀布率可降低到45％，从而降低了天线成本；另外，规则分布的小型天线子阵100，易于T/R组件批量生产，集成化轻薄型的射频前端，极大地减轻了天线重量。

下面，将参考图1至图9对本示例实施方式中的稀布阵列天线布局方法的各个步骤进行更详细的说明。

在步骤S101中，每个天线单元102按照规则分布，一般瓦片式T/R芯片是2×2的四通道形式，因此可由4个天线单元102通过2×2规则进行排布构成单元子阵101，另外，可按照要求的扫描范围，分别确定2×2单元子阵101内的天线单元102的间距，可根据实际情况进行设置，在此不做限制。

在步骤S102中，可通过四个2×2天线单元102的单元子阵101构成规则的天线子阵100，且各单元子阵101之间距离通过相邻天线单元102的间距，以及天线单元102之间间距的扰动量所确定，该扰动量可通过优化算法确定，当利用优化算法时，以Δx，Δy为变量，优化目标为稀布天线扫描到最大角度时的副瓣电平，当优化到这个副瓣电平最低时，得到的Δx，Δy就是需要的单元间距扰动量。优化算法可以选择遗传算法，模式搜索算法等，在此不做限制。本实施例通过大量实验，在一般情况下，取Δx＝2dx/3，Δy＝2dy/3可以将稀布天线的副瓣电平控制在较低的水平，其中，dx为相邻天线单元102在水平方向的距离，dy为相邻天线单元102在竖直方向的距离。该种规则排布的天线子阵100可以实现瓦片式T/R组件与天线单元102的集成化设计，从而得到轻薄型的射频前端，而且易于T/R组件批量生产，极大减轻了天线的重量。

在步骤S103中，稀布阵列天线的阵面可采用密度加权的圆形分布，即可在圆形阵面的一个象限内随机稀布多个天线子阵100，并将该象限内的天线子阵100进行多次对阵变换，从而使得随机稀布的多个天线子阵100布满稀布阵列天线的阵面，从而形成最终的阵列天线。该种非周期的分布可使天线在较大的扫描范围内有效抑制栅瓣，从而减小天线单元102的数量，降低成本。

在一个实施例中，如图2所示，所述稀布阵列天线为圆形稀布阵列天线，且所述预设区域为所述圆状稀布阵列天线中的至少一个象限区域。

具体的，以一个小型天线子阵100为单元，再按照密度加权稀布天线布阵方法，在圆形稀布天线阵面的一个象限内随机分布每个天线子阵100的位置，然后将该象限内的所有天线子阵100进行对阵变换，从而得到天线的阵面布局，即得到完整的稀布阵列天线，需要说明的是，密度加权稀布天线阵列布阵方法可参考现有技术进行理解，在此不再赘述。

在一个实施例中，如图3所示，构成所述单元子阵101的天线单元102数为4个，且通过2×2个天线单元102进行规则排布设置。

具体的，根据要求的频率和天线扫描范围，确定2×2单元子阵101内的天线单元102间距，在一个示例中，两个所述天线单元102在第一方向的间距为dx，两个所述天线单元102在第二方向的间距为dy，且所述第一方向与第二方向互相垂直。具体的，2×2单元子阵101内两个天线单元102在水平方向的间距为dx，两个天线单元102在竖直方向的间距为dy，在本实施例中，稀布阵列天线的阵面直径可设置为700mm，根据要求的频率和天线扫描范围，天线单元102间距dx＝11mm，dy＝11mm，该相邻天线单元102之间的间距可通过相控阵天线的基本设计原理得到，具体可参考现有技术。因一般瓦片式TR芯片是2×2的四通道形式，能够实现与规则设置的2×2单元子阵101集成化设计，从而得到轻薄型的射频前端，不仅易于TR组件批量生产，而且极大的减轻了天线重量。

在一个实施例中，构成所述天线子阵100的单元子阵101数量为4个，且通过2×2个单元子阵101进行规则排布设置。

具体的，通过四个2×2单元子阵101可继续组成一个4×4天线单元102的小型天线子阵100，在一个示例中，两个所述单元子阵101在第一方向的间距为2dx+Δx，两个所述单元子阵101在第二方向的间距为2dy+Δy。示例的，相邻两个2×2单元子阵101在水平方向的间距为2dx+Δx，相邻两个2×2单元子阵101在竖直方向的间距为2dx+Δx，若是稀布阵列天线的阵面直径可设置为700mm，根据要求的频率和天线扫描范围，天线单元102间距dx＝11mm，dy＝11mm，那么2dx+Δx＝25.67mm，2dy+Δy＝25.67mm，然后以一个小型天线子阵100为单元，再按照密度加权稀布天线布阵方法，在圆形稀布天线阵面的一个象限内随机分布每个天线子阵100的位置，然后将该象限内的所有天线子阵100进行对阵变换，从而得到天线的阵面布局，即得到完整的稀布阵列天线。

如图6-9所示，该种子阵式密度加权布局形式，在要求的扫描范围内，栅瓣被完全抑制，本实施例的天线的副瓣可18dB以下，在法线方向副瓣电平可达-20dB，在俯仰、方位扫描到45°的方向副瓣可达18dB以下，且在空间没有栅瓣出现，该种子阵式密度加权稀布天线，有效降低了天线成本，同于易于T/R组件批量生产。

在一个实施例中，所述Δx，Δy分别为相邻所述天线单元102间距的扰动量，且所述Δx＝2dx/3，所述Δy＝2dy/3。

具体的，Δx，Δy分别为单元间距扰动量，可以通过优化算法确定，当利用优化算法时，以Δx，Δy为变量，优化目标为稀布天线扫描到最大角度时的副瓣电平，当优化到这个副瓣电平最低时，得到的Δx，Δy就是需要的单元间距扰动量。优化算法可以选择遗传算法，模式搜索算法等，具体不做限制。本实施例经过大量实验得出，在一般情况下，可取Δx＝2dx/3，Δy＝2dy/3，从而可以将稀布天线的副瓣电平控制在较低的水平。

根据上述实施例提供的稀布阵列天线布局方法，通过天线单元102构成规则的单元子阵101，然后由单元子阵101构成规则的天线子阵100，再由小型的天线子阵100在天线阵面利用密度加权稀布天线布阵，天线子阵100的随机分布，能够最大限度的抑制栅瓣，天线的稀布率可降低到45％，从而降低了天线成本；另外，规则分布的小型天线子阵100，易于T/R组件批量生产，集成化轻薄型的射频前端，极大地减轻了天线重量。

本示例实施方式中还提供了一种稀布阵列天线。参考图4、5所示，该天线可以包括天线射频前端200、散热层205、控制层206和馈电网络层207。天线射频前端200，包括辐射单元层201和T/R组件层202，且所述辐射单元层201与所述T/R组件层202通过垂直互联203进行连接；散热层205，设置于所述天线射频前端200下方，以将所述天线射频前端200生成的热量及时散出；控制层206，设置于所述散热层205下方，且与所述T/R组件层202相连；馈电网络层207，设置于所述控制层206下方，用于完成射频信号到所述天线子阵100的分配。

在一个实施例中，如图4所示，整个天线由辐射单元层201、T/R组件层202、散热层205、控制层206、馈电网络层207与后盖板208组成，辐射单元层201与T/R组件层202之间采用垂直互联203方式连接，并焊接在一起。T/R组件通过紧固件与散热层205紧贴在一起，确保热量可以传导到散热层205。散热层205采用风冷散热方式，内部排布散热片。控制层206完成波束控制和电源控制功能，电源和连接线集成模块穿过散热层205，将控制层206与T/R组件相连。馈电网络层207完成射频信号的到各个子阵的分配。这种形式减小了天线厚度，充分利用了散热风道，实现一种轻薄型稀布阵列天线。

其中，散热层205也构成天线的结构支撑，控制层206与馈电网络层207平铺在天线后方。整个天线结构剖面较小，相比传统天线，重量得到极大减轻。

另外，天线子阵100内单元规则分布，天线单元102与T/R组件芯片集成化设计，天线单元102采用平面微带贴片天线，可与T/R组件采用垂直互联203技术连接，具体垂直互联203技术可参考现有技术进行理解，在此不再赘述。

在一个实施例中，所述辐射单元层201为微带双层贴片辐射单元，且该微带双层贴片辐射单元包括上层贴片2011和下层贴片2012。

具体的，如图5所示，每个小型天线子阵100包括16个微带双层贴片辐射单元和T/R组件。辐射单元层201为微带双层贴片辐射单元，且包括上层贴片2011和下层贴片2012，在一个示例中，所述天线射频前端200还包括基板204，该基板204用于安装所述T/R组件层202中的T/R模块2021，且所述T/R模块2021通过垂直互联203方式与所述辐射单元层201中的天线单元102连接。具体的，采用双层微带贴片辐射单元可提高天线工作带宽，天线单元102与T/R模块2021之间采用垂直互联203技术进行连接，TR模块安装在基板204上，通过垂直互联203与天线地2013和天线下层贴片2012连接，具体可参考现有技术进行理解，在此不再赘述。

在本发明的描述中，需要理解的是，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)

1.一种稀布阵列天线布局方法，其特征在于，该方法包括：

确定规则单元子阵的第一参数，所述第一参数包括构成该单元子阵的天线单元数量、排布方式及各所述天线单元间的间距；

根据各所述天线单元的间距及该间距的扰动量确定规则天线子阵的第二参数，所述第二参数包括构成所述天线子阵的所述单元子阵的数量、排布方式及各所述单元子阵间的间距；所述扰动量通过优化算法确定，当利用所述优化算法时，以Δx，Δy为变量，优化目标为稀布天线扫描到最大角度时的副瓣电平，当优化到所述副瓣电平最低时，得到的Δx，Δy就是需要的所述天线单元间距的扰动量；其中，所述Δx，Δy分别为相邻所述天线单元间距的扰动量；

通过将多个所述天线子阵随机稀布于所述阵列天线的预设区域，并将该预设区域内的天线子阵进行多次对称变换，从而形成最终的阵列天线；

其中，所述天线子阵先通过天线单元构成规则的单元子阵，然后由单元子阵构成规则的所述天线子阵；小型的所述天线子阵在天线阵面利用密度加权稀布天线布阵。

2.根据权利要求1所述稀布阵列天线布局方法，其特征在于，所述稀布阵列天线为圆形稀布阵列天线，且所述预设区域为所述圆形稀布阵列天线中的至少一个象限区域。

3.根据权利要求1所述稀布阵列天线布局方法，其特征在于，构成所述单元子阵的天线单元数为4个，且通过2×2个天线单元进行规则排布设置。

4.根据权利要求3所述稀布阵列天线布局方法，其特征在于，两个所述天线单元在第一方向的间距为dx，两个所述天线单元在第二方向的间距为dy，且所述第一方向与第二方向互相垂直。

5.根据权利要求4所述稀布阵列天线布局方法，其特征在于，构成所述天线子阵的单元子阵数量为4个，且通过2×2个单元子阵进行规则排布设置。

6.根据权利要求5所述稀布阵列天线布局方法，其特征在于，两个所述单元子阵在第一方向的间距为2dx+Δx，两个所述单元子阵在第二方向的间距为2dy+Δy。

7.根据权利要求6所述稀布阵列天线布局方法，其特征在于，所述Δx，Δy分别为相邻所述天线单元间距的扰动量，且所述Δx＝2dx/3，所述Δy＝2dy/3。

8.一种稀布阵列天线，其特征在于，由权利要求1～7任一项所述稀布阵列天线布局方法设计而成，该天线包括：

天线射频前端，包括辐射单元层和T/R组件层，且所述辐射单元层与所述T/R组件层通过垂直互联进行连接；

散热层，设置于所述天线射频前端下方，以将所述天线射频前端生成的热量及时散出；

控制层，设置于所述散热层下方，且与所述T/R组件层相连；

馈电网络层，设置于所述控制层下方，用于完成射频信号到所述天线子阵的分配。

9.根据权利要求8所述稀布阵列天线，其特征在于，所述辐射单元层为微带双层贴片辐射单元，且该微带双层贴片辐射单元包括上层贴片和下层贴片。

10.根据权利要求9所述稀布阵列天线，其特征在于，所述天线射频前端还包括基板，该基板用于安装所述T/R组件层中的T/R模块，且所述T/R模块通过垂直互联方式与所述辐射单元层中的天线单元连接。

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