CN112952405B - 一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法 - Google Patents

一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，包括步骤一、全极化可重构2×2子阵的设计，步骤二、超宽带阵列的设计；步骤三、超宽带全极化可重构阵列的设计；步骤四、对超宽带全极可重构天线单元进行激励补偿实现大角度波束扫描；步骤五、仿真结果验证；本发明通过不同的相位激励方式，使连续旋转的2×2子阵实现了全极化可重构，设计了新的超宽带非周期阵列综合法，将连续旋转的2×2子阵与超宽带阵列结合，拓宽了2×2极化可重构阵列的工作频率范围，且通过将激励补偿用入全极化可重构阵列中，大大增加了可重构阵列天线的波束扫描范围，本发明的天线阵列具有4:1带宽、全极化可重构以及±60°大角度波束扫描能力。

Description

一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法
技术领域
本发明涉及电扫阵列天线技术领域，尤其涉及一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法。
背景技术
现有技术提出了一种连续旋转排列的2×2子阵列，子阵中单元的旋转角度和相位激励均为为0°，90°，180°，270°，该子阵列可以在侧射方向上获得更低轴比以及更宽轴比带宽的圆极化波束；
现有技术提出了一种超宽带非周期阵列综合方法，通过改变阵因子中n的幂级数来改变阵列单元间距，从而获得宽带大角度扫描阵列；
现有技术设计了一种极化可重构的宽频变1×4相控阵天线。辐射单元由一个圆形微带贴片组成，频率范围在1.5至2.4GHz之间。每个辐射单元有两个馈电点，可以在四个极化传感器(两个线性和两个圆形极化)之间进行切换。线性极化和圆极化均可在1.5GHz处产生±52°峰值，在2.4GHz处产生±28°峰值；
现有技术中2×2子阵特殊的相位排布只能实现圆极化，不具备多功能可调的性质，使天线阵列功能十分单一，超宽带阵列天线不能精确控制整个频率带宽内的副瓣电平，且只能优化含有奇数个单元的阵列，现有的极化可重构天线工作带宽和波束扫描范围十分有限，因此，本发明提出一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，该超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法通过不同的相位激励方式，使连续旋转的2×2子阵实现了全极化可重构，通过新的超宽带非周期阵列综合法，将连续旋转的2×2子阵与超宽带阵列结合，拓宽了2×2极化可重构阵列的工作频率范围，且通过将激励补偿用入全极化可重构阵列中，大大增加了可重构阵列天线的波束扫描范围，本发明的超宽带全极化可重构天线阵列具有±60°大角度波束扫描能力。
为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，包括以下步骤：
步骤一、全极化可重构2×2子阵的设计，根据电磁波极化原理，改变2×2子阵中单元的相位激励，实现在侧射方向上的全极化可重构；
步骤二、超宽带阵列的设计，根据超宽带非周期阵列综合方法设计超宽带非周期相控阵，设计了4:1带宽阵列，且在整个带宽内进行±60°波束扫描，实现精确控制非周期阵列天线的副瓣电平；
步骤三、将步骤一中的全极化可重构2×2子阵与步骤二中的超宽带阵列相结合，获得超宽带全极化可重构阵列；
步骤四、通过提前仿真天线单元方向图，计算每个天线单元需要的激励幅度补偿值，来实现超宽带全极化可重构电扫阵列；
步骤五、仿真结果验证，设计实验进行验证，天线阵列在1GHz，波束指向15°、30°、45°和55°时，分别实现+45°线极化、-45°线极化、右旋圆极化和左旋圆极化；天线阵列在4GHz，波束指向0°、20°、40°、60°时，分别实现+45°线极化、-45°线极化、右旋圆极化和左旋圆极化。
进一步改进在于：所述步骤二中超宽带非周期阵列综合方法，对于由N个等幅激励单元组成的相控阵，阵列因子用式(1)表示
Figure BDA0002919402150000031
其中β为自由空间波数，Zn为单元位置，当相位激励为-βZnsinθo时，阵列因子在θ＝θo处达到最大值，θo为波束指向，从(1)式中可以得出阵元间距为dn＝zn+1-zn n＝0,1...N-2。令dn为变量，以获得非周期配置。
进一步改进在于：为了防止产生强互耦合和避免阵列孔径过大，令a≤dn≤b，n＝0,1…N-2，其中a是最小阵元间距，b是最大阵元间距。
进一步改进在于：所述步骤二中为了保持副瓣电平的稳定，同时对多个目标方向图进行优化，优化目标是找到f(d)最小值，由式(2)表示
f(d)＝max[pSLL(1)(d) … pSLL(M)(d)] (2)
其中d＝[d0，d1，…dN-2]，pSLL(m)(d)为第m个辐射方向图的峰值副瓣电平，f(d)是非线性函数，用以计算M个目标方向图的峰值旁瓣电平最大值，通过MATLAB优化工具箱中的fmincon函数计算出带约束非线性多变量函数的最小值，用下式(3)表示。
min f(d)
s.t.a≤dn≤b for n＝0,1...N-2 (3)
进一步改进在于：所述步骤二中超宽带非周期相控阵的具体设计过程为
①、设单元个数为51，工作频率为1GHz～4GHz；
②、设目标方向图的工作频率为1GHz、2GHz、3GHz和4GHz，空间扫描范围为0°到60°，波束间隔为10°；
③、设最小元件间距是λL/2，最大元件间距是λL，λL是最低频率的波长；
④、设置d的初值，利用fmincon函数计算min f(d)；
⑤、经过反复迭代，可以得到最低峰值副瓣电平和d；
⑥、根据d，计算阵元位置，验证优化结果。
进一步改进在于：所述步骤四中通过提前仿真得到E1x(θo)和E1y(θo)，其分别表示单元1在θo方向的x分量和y分量，同时为了获得两个相等的正交电场，引入幅度激励ɑj，其代表第j个单元的幅度激励，Ex(θo)和Ey(θo)分别表示总电场的x分量和y分量，表示为式(4)和式(5)：
Ex(θο)＝a1E1x(θο)+a2E2x(θο)+a3E3x(θο)+a4E4x(θο) (4)
Ey(θο)＝a1E1y(θο)+a2E2y(θο)+a3E3y(θο)+a4E4y(θο) (5)
令ɑ1＝ɑ3且ɑ2＝ɑ4，通过求解Ex(θo)＝Ey(θo)得到幅度补偿值，求解结果由下式(6)表示。
Figure BDA0002919402150000051
进一步改进在于：对于不同的扫描角度，空间相位延迟会干扰极化所需的相位差，空间相位差补偿值由式(7)表示
ΔΘ＝-βΔxsinθο (7)
其中β为自由空间波数，Δx为两个单元之间的间距，空间相位延迟补偿值是随单元在φ＝0°平面上的位置变化而变化的，其计算公式与式(7)相同。
本发明的有益效果为：本发明通过不同的相位激励方式，使连续旋转的2×2子阵实现了全极化可重构。设计了新的超宽带非周期阵列综合法，将连续旋转的2×2子阵与超宽带阵列结合，拓宽了2×2极化可重构阵列的工作频率范围，且通过将激励补偿用入全极化可重构阵列中，大大增加了可重构阵列天线的波束扫描范围，本发明的天线阵列具有4:1带宽、全极化可重构以及±60°大角度波束扫描能力。
附图说明
图1为本发明超宽带非周期优化阵列结构图。
图2为本发明超宽带全极化可重构天线结构图。
图3为本发明线阵结构与坐标系示意图。
图4为本发明仿真结果验证天线阵列在1GHz辐射方向图。
图5为本发明仿真结果验证天线阵列在4GHz辐射方向图。
图6为本发明仿真结果验证四个圆极化轴比示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
根据图1、2、3、4、5、6所示，本实施例提供了一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，包括以下步骤：
步骤一、全极化可重构2×2子阵的设计，根据电磁波激化原理，改变2×2子阵中单元的相位激励，实现在侧射方向上的全极化可重构；
步骤二、超宽带阵列的设计，根据超宽带非周期阵列综合方法设计超宽带非周期相控阵，并设计4:1带宽阵列，且在整个带宽内进行±60°波束扫描，对于由N个等幅激励单元组成的相控阵，阵列因子用式(1)表示
Figure BDA0002919402150000061
其中β为自由空间波数，Zn为单元位置，当相位激励为-βZnsinθo时，阵列因子在θ＝θo处达到最大值，θo为波束指向，从(1)式中可以得出阵元间距为dn＝zn+1-zn n＝0,1...N-2。令dn为变量，以获得非周期配置，为了防止产生强互耦合和避免阵列孔径过大，令a≤dn≤b，n＝0,1…N-2，其中a是最小阵元间距，b是最大阵元间距，为了保持副瓣电平的稳定，同时对多个目标方向图进行优化，优化目标是找到f(d)最小值，由式(2)表示
f(d)＝max[pSLL(1)(d) … pSLL(M)(d)] (2)
其中d＝[d0，d1，…dN-2]，pSLL(m)(d)为第m个辐射方向图的峰值副瓣电平，SLL表示副瓣电平，f(d)是非线性函数，用以计算M个目标方向图的峰值旁瓣电平最大值，通过MATLAB优化工具箱中的fmincon函数计算出带约束非线性多变量函数的最小值，用下式(3)表示。
min f(d)
s.t.a≤dn≤b for n＝0,1...N-2 (3)
其中超宽带非周期相控阵的具体设计过程为：
①、设单元个数为51，工作频率为1GHz～4GHz；
②、设目标方向图的工作频率为1GHz、2GHz、3GHz和4GHz，空间扫描范围为0°到60°，波束间隔为10°；
③、设最小元件间距是λL/2，最大元件间距是λL，λL是最低频率的波长；
④、设置d的初值，利用fmincon函数计算min f(d)；
⑤、经过反复迭代，可以得到最低峰值副瓣电平和d；
⑥、根据d，计算阵元位置，验证优化结果；
从而获得精确控制非周期阵列天线的副瓣电平；
步骤三、将步骤一中的全极化可重构2×2子阵与步骤二中的超宽带阵列相结合，获得超宽带全极化可重构阵列；
步骤四、提前仿真天线单元方向图，计算每个天线单元需要的激励幅度补偿值。
用图1中2×2子阵为例，设定在φ＝0°平面内，通过提前仿真得到E1x(θo)和E1y(θo)，分别表示单元1在θo方向的x分量和y分量，其定义同样适用于其他单元，Ex(θo)和Ey(θo)，分别表示总电场的x分量和y分量，为了获得两个相等的正交电场，引入幅度激励ɑj，其代表第j个单元的幅度激励，得到式(4)和式(5)
Ex(θο)＝a1E1x(θο)+a2E2x(θο)+a3E3x(θο)+a4E4x(θο) (4)
Ey(θο)＝a1E1y(θο)+a2E2y(θο)+a3E3y(θο)+a4E4y(θο) (5)
令ɑ1＝ɑ3且ɑ2＝ɑ4，通过求解Ex(θo)＝Ey(θo)得到幅度补偿值，求解结果由下式(6)表示。
Figure BDA0002919402150000081
对于不同的扫描角度，空间相位延迟会干扰极化所需的相位差，从而导致极化质量恶化。单元2和单元3所需的空间相位差补偿值由式(7)表示
ΔΘ＝-βΔxsinθο (7)
其中β为自由空间波数，Δx为两个单元之间的间距，对于由连续旋转排列的2×2子阵列组成的大型扫描阵列，不同的子阵列中单元所需的幅值补偿值是相同的，空间相位延迟补偿值是随单元在φ＝0°平面上的位置变化而变化的，其计算公式与式(7)相同；
步骤五、仿真结果验证，设计实验进行验证，如图附图(6)所示，天线阵列在1GHz，波束指向15°、30°、45°和55°时，分别实现+45°线极化、-45°线极化、右旋圆极化和左旋圆极化；天线阵列在4GHz，波束指向0°、20°、40°、60°时，分别实现+45°线极化、-45°线极化、右旋圆极化和左旋圆极化。
该超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法通过不同的相位激励方式，使连续旋转的2×2子阵实现了全极化可重构，通过新的超宽带非周期阵列综合法，将连续旋转的2×2子阵与超宽带阵列结合，拓宽了2×2极化可重构阵列的工作频率范围，且通过将激励补偿用入全极化可重构阵列中，大大增加了可重构阵列天线的波束扫描范围，本发明的超宽带全极化可重构天线阵列具有±60°大角度波束扫描能力。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、全极化可重构2×2子阵的设计，根据电磁波极化原理，改变2×2子阵中单元的相位激励，实现在侧射方向上的全极化可重构；
步骤二、超宽带阵列的设计，根据超宽带非周期阵列综合方法设计超宽带非周期相控阵，设计了4:1带宽阵列，且在整个带宽内实现±60°波束扫描，获得精确的副瓣电平；
步骤三、将步骤一中的全极化可重构2×2子阵与步骤二中的超宽带阵列相结合，获得超宽带全极化可重构阵列；
步骤四、对全极化可重构单元进行激励补偿，实现超宽带全极化电扫阵列，提前仿真天线单元方向图，可以计算出每个天线单元需要的激励补偿值；
步骤五、仿真结果验证，设计实验进行验证，天线阵列在1GHz，波束指向15°、30°、45°和55°时，分别实现+45°线极化、-45°线极化、右旋圆极化和左旋圆极化；天线阵列在4GHz，波束指向0°、20°、40°、60°时，分别实现+45°线极化、-45°线极化、右旋圆极化和左旋圆极化。
2.根据权利要求1所述的一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，其特征在于：所述步骤二中超宽带非周期阵列综合方法，对于由N个等幅激励单元组成的相控阵，阵列因子用式(1)表示
Figure FDA0003782836730000021
其中β为自由空间波数，Zn为单元位置，当相位激励为-βZnsinθo时，阵列因子在θ＝θo处达到最大值，θo为波束指向，从(1)式中可以得出阵元间距为dn＝zn+1-zn n＝0,1...N-2，令dn为变量，以获得非周期配置。
3.根据权利要求2所述的一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，其特征在于：为了防止产生强互耦合和避免阵列孔径过大，令a≤dn≤b，n＝0,1…N-2，其中a是最小阵元间距，b是最大阵元间距。
4.根据权利要求2所述的一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，其特征在于：所述步骤二中为了保持副瓣电平的稳定，同时对多个目标方向图进行优化，优化目标是找到f(d)最小值，由式(2)表示
f(d)＝max[pSLL(1)(d) … pSLL(M)(d)] (2)
其中d＝[d0，d1，…dN-2]，pSLL(m)(d)为第m个辐射方向图的峰值副瓣电平，f(d)是非线性函数，用以计算M个目标方向图的峰值旁瓣电平最大值，通过MATLAB优化工具箱中的fmincon函数计算出带约束非线性多变量函数的最小值，用下式(3)表示
min f(d)，令a≤dn≤b for n＝0,1…N-2。 (3)
5.根据权利要求4所述的一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，其特征在于：所述步骤二中超宽带非周期相控阵的具体设计过程为
①、设单元个数为51，工作频率为1GHz～4GHz；
②、设目标方向图的工作频率为1GHz、2GHz、3GHz和4GHz，空间扫描范围为0°到60°，波束间隔为10°；
③、设最小元件间距是λL/2，最大元件间距是λL，λL是最低频率的波长；
④、设置d的初值，利用fmincon函数计算min f(d)；
⑤、经过反复迭代，可以得到最低峰值副瓣电平和d；
⑥、根据d，计算阵元位置，验证优化结果。
6.根据权利要求1所述的一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，其特征在于：所述步骤四中通过提前仿真得到E1x(θo)和E1y(θo)，其分别表示单元1在θo方向的x分量和y分量，同时为了获得两个相等的正交电场，引入幅度激励ɑj，其代表第j个单元的幅度激励，Ex(θo)和Ey(θo)分别表示总电场的x分量和y分量，表示为式(4)和式(5)：
Ex(θo)＝a1E1x(θo)+a2E2x(θo)+a3E3x(θo)+a4E4x(θo) (4)
Ey(θo)＝a1E1y(θo)+a2E2y(θo)+a3E3y(θo)+a4E4y(θo) (5)
令ɑ1＝ɑ3且ɑ2＝ɑ4，通过求解Ex(θo)＝Ey(θo)得到幅度补偿值，求解结果由下式(6)表示
Figure FDA0003782836730000031
7.根据权利要求6所述的一种超宽带全极化电扫阵列技术的研究方法，其特征在于：对于不同的扫描角度，空间相位延迟会干扰极化所需的相位差，空间相位差补偿值由式(7)表示
ΔΘ＝-βΔxsinθo (7)
其中β为自由空间波数，Δx为两个单元之间的间距，空间相位延迟补偿值是随单元在φ＝0°平面上的位置变化而变化的，其计算公式与式(7)相同。
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