CN112993594A - 一种基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，包括利用均匀子阵将柱体弧形二级阵划分为子阵；确定柱面上所述子阵的坐标系旋转角度；计算所述子阵的天线单元在阵列全局坐标系下的方向图；利用多级加权方法对各级子阵进行合成，形成最终的弧面共形阵方向图，其中所述弧面共形阵圆周角取90°。通过均匀子阵的方法对柱面共形阵进行划分，简化子阵间的互耦影响，降低项目系统的复杂程度，并且能控制成本，另一方面共形阵的圆周角选为90°，降低了遮挡效应的影响，使得子阵增益加大。

Description

一种基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法

技术领域

本发明涉及雷达天线的技术领域，尤其涉及一种基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法。

背景技术

根据IEEE给出的共形天线定义(IEEE Std 145-1993 )“共形到载体上的天线，而载体的形态是由空气动力学或水力学等确定，而非由电磁特性确定”，共形天线需要具有低剖面特性，主要有各种微带和缝隙天线。缝隙天线是在平板、圆筒或圆柱等结构上直接开槽的一种天线形式；微带天线是一种由薄介质基片，其上用金属沉积矩形、圆形或其他几何形状的辐射元，而背面贴以金属接地板的天线。

目前普遍采用的一般还是平面阵列天线，它存在的问题是：波束扫描范围窄，因为波束宽度会随着扫描角的增大而增大，这样会使天线增益和测角精度下降；天线单元之间的互耦效应与扫描角相关，副瓣电平也会随其增大而增大。而共形天线阵可以采用圆形阵列、球形阵列等不同的形式，就有可能有效的避免上述缺点，因为它们可以在扫描过程中基本保持天线的波束形状和增益，同时使互耦维持在一定水平上，然而共形天线在带来一系列优点的同时，也带来了一系列的新挑战：1）互耦影响变得复杂：2）需要进行坐标转换：3）极化变得复杂：4）遮挡效应，以上这些特性使共形阵列的方向图综合相比常规平面阵列的方向图综合更加困难，同时常规平面阵列方向图综合方法也将很难直接应用到共形阵列中。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明解决的技术问题是：共形天线存在互耦影响变得复杂、需要进行坐标转换、极化变得复杂以及遮挡效应的问题，并且在柱面共形阵中，其项目的复杂度较高，成本较高。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：利用均匀子阵将柱体弧形二级阵划分为子阵；确定柱面上所述子阵的坐标系旋转角度；计算所述子阵的天线单元在阵列全局坐标系下的方向图；利用多级加权方法对各级子阵进行合成，形成最终的弧面共形阵方向图。

作为本发明所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的一种优选方案，其中：所述利用均匀子阵将柱体弧形二级阵划分为子阵包括，对于一个弧形柱面二级阵，其柱面半径为R，将所述弧形柱面二级阵的分布范围设定为

的圆柱表面，其中h为柱面高度的1/2，

为分布角度的一半，将所述弧形柱面二级阵利用均匀子阵的方法，在垂直方向上均匀划分成N个圆环阵，并且各层圆环的间距均为d，在每一层圆环阵上均匀划分成M个子阵，其周向间距为

，计算所述子阵的全局坐标。

作为本发明所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的一种优选方案，其中：所述全局坐标包括，在所述弧形柱面二级阵中，第n环第m列个子阵的全局坐标

表示为：

。

作为本发明所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的一种优选方案，其中：所述确定坐标系旋转角度包括，根据所述子阵单元的全局坐标，每个坐标对应的旋转矩阵为

，则得到坐标系旋转角为：

。

作为本发明所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的一种优选方案，其中：所述计算子阵的天线单元在阵列全局坐标系下的方向图包括，在天线单元i进行过上述旋转后，其方向图表示为：

，则在所述阵列全局坐标系中，所述天线单元i的位置坐标则表示为：

，那么所述天线单元i在所述阵列全局坐标系下的方向图表示为：

其中：

为柱面空间因子，

为方向矢量，

为天线方向角度，

为阵元i相对于坐标系原点O的位置矢量，所述柱面空间因子为弧形柱面二级阵所在的圆柱波辐射与二级阵所占角度的乘积，其中

和k均为辐射因子，

为第i个单元在远场观察方向r上的波程差，具体表示为：

。

作为本发明所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的一种优选方案，其中：所述利用多级加权方法形成最终的弧面共形阵方向图包括，利用多级加权方法对所述子阵的所有天线单元进行加权，计算最终的共形阵方向图，其公式表示为：

其中：

是阵元间互耦的馈电权值，

为阵列空间因子，u、v为方向因子参数。

作为本发明所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的一种优选方案，其中：所述弧面共形阵包括，所述弧面共形阵的圆周角取90°。

作为本发明所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的一种优选方案，其中：所述瓦片式平面子阵包括，将所述子阵摊卷在圆柱表面，利用分立的瓦片式TR组件对子阵进行拼接，形成共形天线。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例提供的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的基本流程示意图；

图2为本发明第一个实施例提供的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的子阵划分示意图；

图3为本发明第一个实施例提供的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的瓦片式TR拼接成共形天线示意图（俯视图）；

图4为本发明第二个实施例提供的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的弧面共形阵示意图；

图5为本发明第二个实施例提供的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的优化二维方向图；

图6为本发明第二个实施例提供的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的子阵的S参数；

图7为本发明第二个实施例提供的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法的子阵的三维方向图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”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、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1~3，为本发明的一个实施例，提供了一种基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，包括：

S1：利用均匀子阵将柱体弧形二级阵划分为子阵。其中需要说明的是，

不同结构的柱面共形阵，其载体表面上阵元的位置各不一样，坐标旋转的角度也不一致，对于一个弧形柱面二级阵，其柱面半径为R，将弧形柱面二级阵的分布范围设定为

的圆柱表面，其中h为柱面高度的1/2，

为分布角度的一半，参照图2，将弧形柱面二级阵利用均匀子阵的方法，在垂直方向上均匀划分成N个圆环阵，并且各层圆环的间距均为d，在每一层圆环阵上均匀划分成M个子阵，其周向间距为

，计算其全局坐标。

进一步的是，其全局坐标，在弧形柱面二级阵中，第n环第m列个子阵的全局坐标

可以表示为：

。

S2：确定柱面上子阵的坐标系旋转角度。其中需要说明的是，

根据子阵单元的全局坐标，每个坐标对应的旋转矩阵为

，则可以得到坐标系旋转角为：

。

S3：计算子阵的天线单元在阵列全局坐标系下的方向图。其中需要说明的是，

在天线单元i进行过上述旋转后，其方向图表示为：

，则在阵列全局坐标系中，天线单元i的位置坐标则表示为：

，那么天线单元i在阵列全局坐标系下的方向图表示为：

其中：

为柱面空间因子，

为方向矢量，

为天线方向角度，

为阵元i相对于坐标系原点O的位置矢量。

进一步的是，柱面空间因子包括，为弧形柱面二级阵所在的圆柱波辐射与二级阵所占角度的乘积，其中

和k均为辐射因子，

为第i个单元在远场观察方向r上的波程差，具体表示为：

。

S4：利用多级加权方法对各级子阵进行合成，形成最终的弧面共形阵方向图，其中弧面共形阵圆周角取90°。其中需要说明的是，

利用多级加权方法形成最终的弧面共形阵方向图包括，利用多级加权方法对子阵的所有天线单元进行加权，计算最终的共形阵方向图，其公式表示为：

其中：

是阵元间互耦的馈电权值，

为阵列空间因子，u、v为方向因子参数。

进一步的是，圆周角取90°包括，对于圆柱形阵列，每个单元的法向不同，当圆周角太大时，单元最大值对旁瓣的贡献不断增加，当圆周角大于90°，阵列越长，增益反而会下降，当圆周角为90°时，增益最大，并且方位、俯仰二维扫描角满足±30°。

参照图3，瓦片式平面子阵包括，将各级子阵摊卷在圆柱表面，利用分立的瓦片式TR组件对子阵进行拼接，形成共形天线，在TR组件拼接过程中，其封装以及互联对性能可靠性的影响较大，对于圆柱形共形阵，瓦片式TR组件进行立体封装，将天线单元与组件集成设计，大大减少了体积和质量，适用于共形阵雷达系统的应用。

实施例2

参照图4~7，为本发明另一个实施例，为对本方法中采用的技术效果加以验证说明，本实施例对本发明方法进行对比测试，以科学论证的手段对比试验结果，以验证本方法所具有的真实效果。

首先设置一个相控阵天线阵，安装于直径Φ620mm的圆柱体外表面，其柱长为700mm，天线为弧面二维阵表面，并且天线贴于95°的圆弧面上，没有天线罩，柱体水平放置，假设柱长方向（轴向）为运动方向，天线阵安装位于柱体正下方，示意图参照图4。

在本实施例中相控阵天线采用X波段，天线阵载体为圆柱体，圆柱体尺寸为Φ≤620mm，长度≤700mm，因此天线为圆柱形共形阵面，采用阵列模型设计，单元方向图模型是偶极子，针对圆周角分别为Ψ≈60°，90°，120°展开仿真研究，对于圆柱形阵列，每个单元的法向不同，当Ψ太大时，单元最大值对旁瓣的贡献不断增加，所以当阵列越长，增益反而会下降。

为了验证圆周角的不同，对增益效果的影响，根据二维扫描±30°不出栅瓣的要求，采用阵列模型设计，单元方向图模型是偶极子，幅度起伏为1.5dB，相位误差为±5°，计算100次，计算增益时，辐射效率设为85%，三种不同圆周角下仿真数据及结果如下所示：

表1：不同频率下仿真参数。

可以看出，随着频率的增加，各个圆周角的方向性系数以及增益都在增大，但是通过60°、90°以及120°的对比可以看出，当圆周角增大时，单元最大值对旁瓣的贡献不断增加，增益也会逐渐增加，但是当圆周角大于90°时，增益反而会下降，在圆周角为90°的情况下，其增益可以达到最大效果。

另一方面，为了验证本发明在降低成本及系统复杂方面的效果，利用与上述实验相同的圆柱形共形阵面作为实验对象，采用均匀子阵模型设计以及非均匀子阵设计进行对比实验，以验证本发明的有益效果。

非均匀子阵设计将初始种子细胞随机分布在所有子阵中，舍弃原始子阵分区设置，并依据初始种子对所有目标子阵进行优化，在圆柱形共形阵圆周角为90°，震动频率为10GHz的情况下，以阵列20*20、30*30以及50*50三种子阵阵列情况对两种方法的优化时间、成本以及优化效果进行测试，其结果如下表2所示：

表2：优化对比测试结果。

可以看出由于使用均匀子阵时，其复杂度较低，因此其优化时间要明显短于使用非均匀子阵的方法，并且由于计算简单，其所需设备简单，成本也较低，并且从优化效果来看，参照图5，左图为均匀子阵的优化二维方向图，右图为非均匀子阵优化图，可以看出在圆周角为90°，震动频率为10GHz的情况下，使用本方法的均匀子阵以及使用传统非均匀子阵的优化算法，其优化效果没有明显差别，因此本发明在保障了优化效果的前提下，减少了优化运行的时间以及成本，具有实用性。

进一步说明本发明天线设计的效果，设计一个4*4面阵，面阵可以看作两个八元的三角线阵或者四个四元的三角线阵，为了更好的掌握共形阵的性能，对子阵进行仿真，其中子阵1端口的S参数如图6所示，中心频率9.6GHz，阻抗带宽50MHz，端口2和端口5是和端口1相邻的端口，是与1端口互耦最强烈的端口，因此对阵元去耦的工作有指导意义，微带天线之间的互耦主要包括三个耦合途径，即近场(bear-field)耦合，表面波(Surface-wave)耦合和远场(Far-field)耦合，子阵阵元离得很近，互耦途径主要是近场耦合和表面波耦合，为了抑制互耦，微带单元在四周加载了金属通孔，抑制互耦的效果如下图6所示，S21和S51在工作带宽均小于-15dB，说明阵元间的互耦得到了良好的抑制，子阵在9.6GHz的方向图如图7所示，增益17.3dB，表明天线的辐射性能良好，符合设计预期。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，其特性在于，包括：

利用均匀子阵将柱体弧形二级阵划分为子阵；

确定柱面上所述子阵的坐标系旋转角度；

计算所述子阵的天线单元在阵列全局坐标系下的方向图；

利用多级加权方法对所述子阵进行合成，形成最终的弧面共形阵方向图。

2.如权利要求1所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，其特征在于：所述利用均匀子阵将柱体弧形二级阵划分为子阵包括，

对于一个弧形柱面二级阵，其柱面半径为R，将所述弧形柱面二级阵的分布范围设定为

的圆柱表面，其中h为柱面高度的1/2，

为分布角度的一半，将所述弧形柱面二级阵利用均匀子阵的方法，在垂直方向上均匀划分成N个圆环阵，并且各层圆环的间距均为d，在每一层圆环阵上均匀划分成M个子阵，其周向间距为

，计算所述子阵的全局坐标。

3.如权利要求2所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，其特征在于：所述全局坐标包括，

在所述弧形柱面二级阵中，第n环第m列个子阵的全局坐标

表示为：

。

4.如权利要求3所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，其特征在于：所述确定坐标系旋转角度包括，

根据所述子阵单元的全局坐标，每个坐标对应的旋转矩阵为

，则得到坐标系旋转角为：

。

5.如权利要求4所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，其特征在于：所述计算子阵的天线单元在阵列全局坐标系下的方向图包括，

在天线单元i进行过上述旋转后，其方向图表示为：

，则在所述阵列全局坐标系中，所述天线单元i的位置坐标则表示为：

，那么所述天线单元i在所述阵列全局坐标系下的方向图表示为：

其中：

为柱面空间因子，

为方向矢量，

为天线方向角度，

为阵元i相对于坐标系原点O的位置矢量，所述柱面空间因子为弧形柱面二级阵所在的圆柱波辐射与二级阵所占角度的乘积，其中

和k均为辐射因子，

为第i个单元在远场观察方向r上的波程差，具体表示为：

。

6.如权利要求4或5所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，其特征在于：所述利用多级加权方法形成最终的弧面共形阵方向图包括，

利用多级加权方法对所述子阵的所有天线单元进行加权，计算最终的共形阵方向图，其公式表示为：

其中：

是阵元间互耦的馈电权值，

为阵列空间因子，u、v为方向因子参数。

7.如权利要求6所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，其特征在于：所述弧面共形阵包括，

所述弧面共形阵的圆周角取90°。

8.如权利要求1~5、7任一所述的基于瓦片式平面子阵的圆柱共行雷达天线设计方法，其特征在于：所述瓦片式平面子阵包括，

将所述子阵摊卷在圆柱表面，利用分立的瓦片式TR组件对子阵进行拼接，形成共形天线。

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