CN113032973B - 一种微带稀疏天线阵列增益快速计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带稀疏天线阵列增益快速计算方法。该方法在单个天线阵列单元增益基础上，通过划分稀疏天线阵列的子阵列，考虑子阵列天线内部电磁耦合，并通过天线阵列前向区域与后向区域分开计算的方式，获得微带稀疏天线阵列的增益特性。本发明考虑了天线阵列阵元之间耦合对天线阵列增益的影响，具有较高的仿真精度；在单个天线阵列单元增益基础上，通过数据处理来获得整个阵列的增益特性，节省大量仿真时间，极大降低计算机资源耗费，具有快速与灵活特点，特别适合设计过程中对稀疏天线阵列增益性能的快速评估。
Description
技术领域
本发明涉及微波电磁场技术中的天线技术领域，尤其涉及一种微带稀疏天线阵列增益的快速计算方法。
背景技术
毫米波天线技术已经取得了长足的发展，已经广泛应用于导航、定位、自动驾驶、5G、目标检测等领域，深刻改变着人类社会的模式。当前，毫米波天线技术已经朝着更精密探测识别、更高频段的方向不断发展。然而高精度、高频段的发展需求已经给毫米波天线设计带来了巨大的挑战，体现为：高精度毫米波天线要求以天线组阵的方式工作，才能形成更窄的波束宽度，这对天线的安装口径与安装空间提出了更高的要求，传统阵列往往导致设备体积庞大，功耗巨大，毫米波微带稀疏阵列可以实现在有限的空间内设计出更大口径的天线阵列，同时降低阵列天线的馈电复杂度；高频毫米波天线的设计意味着更加庞大的仿真计算量，对计算机资源、仿真时间等都提出了更高的要求，特别是在设计过程中存在反复，对计算资源和周期是巨大的考验。
对于W波段微带稀疏天线阵列这种高频天线，其阵列单元多、频段高，带来的巨量仿真计算是限制其进一步发展的重要因素。
发明内容
本发明针对W波段微带稀疏天线阵列仿真设计计算量大，带来设计周期长，计算资源耗费高的不足，提出将W波段微带稀疏天线阵列进行子阵列划分、前后向增益综合计算的方法，考虑天线阵列单元之间的耦合，大大降低计算量并保证仿真的精度，从而快速获得W波段微带稀疏天线阵列的全向增益特性。
为了达到上述目的，本发明提供一种W波段微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，包含以下步骤：
步骤一：天线阵列单元前向远场场值数据电磁仿真：
通过电磁仿真获得微带稀疏天线阵列单元在特定激励下的X\Y\Z三个方向的前向远场场值数据、增益以及天线阵列单元辐射效率；
步骤二：子阵列划分和归类：
根据设计好的微带稀疏天线阵列的布局，依次将邻近的具有较强耦合效应(耦合强度大于1％)的天线阵列单元划分组成一个子阵列，并将结构相同的子阵列归为一种子阵列类型。
步骤三：子阵列内部天线阵列单元前向远场场值数据电磁仿真：
分别对步骤二中划分得到的不同子阵列类型的内部天线阵列单元进行激励，获得各子阵列类型内部天线阵列单元的前向远场场值数据。
步骤四：系统误差计算：根据步骤一中获得天线阵列单元的前向远场场值数据，通过电磁场换算功率，结合天线辐射效率，计算出该天线阵列单元的前向增益，并与步骤一电磁仿真直接获得的增益比对，得到系统误差，用于后续计算过程的系统误差消除；
步骤五：微带稀疏阵列前向增益计算：按照微带稀疏天线阵列各个天线阵列单元的实际激励，以及各个天线阵列单元的空间坐标，在步骤三中获得的各子阵列类型的前向远场场值数据基础上，进行实际激励的幅度和相位的叠加，并采取电场矢量叠加的方式，获得最终微带稀疏天线阵列实际激励下的前向总的远场。采取电磁场与功率换算方式，结合天线阵列单元辐射效率以及步骤四中获得的系统误差修正，计算获得微带稀疏天线阵列的前向增益。
步骤六：微带稀疏阵列后向增益计算：增大天线阵列单元中介质的长度，扩大金属地面，通过电磁仿真获得天线阵列单元的后向远场场值数据。利用步骤五的方法，计算获得微带稀疏天线阵列的后向增益。
步骤七：微带稀疏天线阵列全向增益合成：将步骤五和步骤六得到的前、后向增益进行整合，最终获得微带稀疏天线阵列的全向增益。
进一步地，X\Y\Z三个方向的天线阵列单元远场场值数据获取方法具体为：采用1v电压0°相位的激励，电磁仿真获得该电压激励下X\Y\Z三个方向的远场场值数据，其中，前向远场场值数据仿真时俯仰角θ取值0°～90°，方位角取值0°～360°；后向远场场值数据仿真时俯仰角θ取值90°～180°，方位角/>取值0°～360°(在球坐标系下)。
进一步地，所述步骤二中的天线阵列进行子阵列的划分，依据是距离较近的天线阵列单元划分为一个子阵列，距离较远的天线阵列单元不划分在一起，优选为距离不超过1.2个波长的单元划分为同一子阵列内；若两个子阵列内部天线阵列单元间距相同、单元结构相同、单元数量相同，则这两个子阵列归为同一子阵列类型。进行划分的思路是将天线阵列单元划分为子阵列，然后将子阵列进行归类，电磁仿真主要针对这几类子阵列开展远场场值数据仿真，进一步压缩天线阵列增益仿真的计算量；同时，采用子阵列电磁仿真，将距离较近的天线阵列单元耦合效应考虑在内，避免了传统计算方法中忽视天线阵列单元之间耦合而带来计算精度不高的弊端。
同样地，所述步骤三中对子阵列前向增益电磁仿设置为：采用1v电压0°相位，获得该电压激励下X\Y\Z三个方向的远场场值数据(rE)，包括远场的幅度和相位信息，计算增益的方向为天线阵面前向，即在球坐标系下俯仰角θ取0°～90°，方位角取0°～360°。
所述步骤四中对微带稀疏天线阵列增益快速计算方法的系统误差进行计算，该系统误差是从远场数据计算天线增益的过程中产生的；计算的方式是通过电磁仿真得到天线增益与本发明方法计算得到的天线增益进行对比得到，将用于后续计算结果的修正，进一步提高计算精度。具体为：
首先计算远场场值数据rET：
abs表示绝对值，分别表示X\Y\Z三个方向的前向远场场值数据；
其次计算辐射强度U：
再计算平均辐射强度Uave，并计算得到天线阵列单元增益Gain_c：
η为天线阵列单元辐射效率；
系统误差为：
ΔGain＝Gain_c-Gain_o
Gain_o表示仿真得到的天线阵列单元增益。
所述步骤五和步骤六中，微带稀疏天线阵列增益快速计算方法采用了前向增益和后向增益分别单独计算，并最终合成的方式；前向增益主要由介质上表面的众多阵列单元产生，后向增益主要由介质底面的金属地面产生；该方式明确了前、后向增益的主要贡献来源，采取分别计算，使得最终的天线阵列全向增益计算精度有了很大提升。
其中，微带稀疏天线阵列实际激励下的前向总的远场计算方法具体为：
其中，k表示天线阵列单元在微带稀疏天线阵列中的序号，分别是X\Y\Z三个方向的前向总场值数据，Lxk、Lyk、Lzk分别是天线阵列单元在X\Y\Z三个方向的坐标；Ek和/>是第k个天线阵列单元实际激励的幅度和相位，λ是电磁波波长；AxMnk、AyMnk、AzMnk分别表示第k个天线阵列单元经子阵列划分为M类子阵列内部的第n个天线阵列单元仿真远场在X\Y\Z三个方向的归一化幅度，/>表示第k个天线阵列单元经子阵列划分为M类子阵列内部的第n个天线阵列单元仿真远场在X\Y\Z三个方向的相位。
微带稀疏天线阵列的前向增益的计算方法具体为：在获得X\Y\Z三个方向的前向总场值数据后，首先计算总远场场值数据rETT：
其次计算辐射强度UT：
再计算平均辐射强度UaveT，结合系统误差，得到天线阵列增益Gain_T：
ΔGain是步骤四中计算得到的系统误差。
所述步骤六计算后向增益时，将步骤一的天线阵列单元的介质基底扩大，介质基底长度至少为10个波长，天线阵列单元保持不变，增大了金属地面，提高后向增益计算的精度；仿真设置为：在1v电压0°相位激励下X\Y\Z三个方向的后向(即在球坐标系下俯仰角θ取90°～180°，方位角取0°～360°)远场场值数据(rE)，包括远场的幅度和相位信息。
本发明所述微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，在计算天线阵列增益时，首先将所有天线阵列单元在实际激励下的X\Y\Z三个方向远场电场数据进行矢量叠加，获得X\Y\Z三个方向的远场总电场数据；其次，通过总电场数据转化成功率，计算平均功率，以及每个方向的功率，结合天线阵列单元辐射效率和系统误差，最终计算出天线阵列的增益。本发明考虑了天线阵元之间耦合对天线阵列增益的影响，具有较高的仿真精度；在单个天线阵列单元增益基础上，通过数据处理来获得整个阵列的增益特性，节省大量仿真时间，极大降低计算机资源耗费，具有快速与灵活特点，特别适合设计过程中对稀疏天线阵列增益性能的快速评估。
附图说明
图1是W波段微带稀疏天线阵列单元结构图；
图2是W波段微带稀疏天线阵列按照某种形式的布局结构图；
图3是W波段微带稀疏天线阵列进行子阵列划分后的结构示意图；
图4是采用发明方法计算W波段微带稀疏天线阵列的E面增益图；
图5是采用发明方法计算W波段微带稀疏天线阵列的H面增益图；
图6是采用天线仿真软件仿真W波段微带稀疏天线阵列的E面增益图；
图7是采用天线仿真软件仿真W波段微带稀疏天线阵列的H面增益图；
图8是发明方法与天线仿真软件计算仿真W波段微带稀疏天线阵列E面增益比对图；
图9是发明方法与天线仿真软件计算仿真W波段微带稀疏天线阵列H面增益比对图；
图10是传统方法与天线仿真软件计算仿真W波段微带稀疏天线阵列E面增益比对图；
图11是传统方法与天线仿真软件计算仿真W波段微带稀疏天线阵列H面增益比对图；
图12是发明方法与传统方法比对天线仿真软件的E面增益相对差值图；
图13是发明方法与传统方法比对天线仿真软件的H面增益相对差值图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术特征、目的和效果，下面针对W波段微带稀疏天线阵列，结合附图1～图13对本发明进行更为详细地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，这些附图中均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明的效果。
参见图1-2，所述W波段微带稀疏天线阵列包括一定数量的天线阵列单元(金属辐射结构)、单层介质，以及介质底面为金属地面；天线阵列单元分布在介质上表面，天线阵列单元是金属铜、金等材质；单层介质需要满足在高频端下较为稳定的电磁参数，可以是Rogers 3003、Rogers 4350B、Rogers 4450等板材；金属地面为介质底面，起到反射天线单元电磁波的作用。
天线阵列需要预先设计，其性能指标满足设计要求；其中天线阵列单元的尺寸、介质的厚度h、介质的长度l、宽度w，以及介质的电磁参数通过天线的设计要求根据天线的阻抗、极化方式等进行合理选择；本实施例中，介质的材料为Rogers 3003，介电常数为3，介质损耗角为0.0013，介质厚度h为0.127mm，介质长度l为8mm，宽度w为16mm；关注的频段为W波段，具体为75GHz～82GHz。
本发明提出了一种微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，该方法首先将天线阵列单元的远场场值数据作为输入，在此基础上进行天线阵列增益的快速计算。
具体地，本发明步骤一为：在已经设计好的W波段微带天线阵列单元基础上，通过电磁仿真获得该天线阵列单元在1v电压0°相位激励下远场场值数据；其中，步骤一对天线阵列单元的仿真设置为：归一化激励1v电压0°相位，X\Y\Z三个方向的前向(即在球坐标系下俯仰角θ取0°～90°，方位角取0°～360°)远场场值数据/>包括远场的幅度和相位信息，增益(Gain_o)，以及天线阵列单元辐射效率(η)；/>的数据类型为复数形式，包括幅度A和相位/>即/>具体表示形式为：
参见图2、图3，本发明步骤二对W波段微带稀疏天线阵列进行子阵列的划分，依据是具有较强耦合效应的天线阵列单元划分组成一个子阵列，即距离较近的天线阵列单元划分为一个子阵列，距离较远的天线阵列单元不划分在一起，本实施例中，距离不超过1.2个电磁波波长的单元划分为同一子阵列内，因此图3中所述天线阵列24个单元划分为14个子阵列；然后将子阵列进行归类，归类的依据为：若两个子阵列内部天线阵列单元间距相同、单元结构相同、单元数量相同，则这两个子阵列归为同一子阵列类型。14个子阵列进一步归结为4类天线子阵列，分别是子阵列类型A、子阵列类型B、子阵列类型C、子阵列类型D，电磁仿真主要针对这4类子阵列开展远场场值数据仿真，进一步压缩天线阵列增益仿真的计算量；子阵列电磁仿真，考虑了较近距离的天线阵列单元之间的耦合效应，避免了传统计算方法中忽视天线阵列单元之间耦合而带来计算精度不高的弊端。
本发明步骤三为根据步骤二中划分后的天线子阵列，对子阵列内部天线阵列单元前向远场场值数据进行仿真，对子阵列前向增益电磁仿真设置为：采用1v电压0°相位，获得该电压
激励下X\Y\Z三个方向的远场场值数据(rE)，包括远场的幅度和相位信息，计算增益的方向为天线阵面前向，即在球坐标系下俯仰角θ取0°～90°，方位角取0°～360°；仿真的子阵列类型为如图3所示的子阵列类型A、子阵列类型B、子阵列类型C、子阵列类型D；仿真得到的4类子阵列内部天线阵列单元的远场场值数据为：
其中，M表示子阵列类型，n表示天线阵列单元在子阵列内部的序号。各天线阵列单元根据其归类的子阵列类型即可获得对应的远场场值数据其中k表示天线阵列单元在微带稀疏天线阵列中的序号，对应地，AxMnk、AyMnk、AzMnk分别表示第k个天线阵列单元经子阵列划分为M类子阵列内部的第n个天线阵列单元仿真远场在X\Y\Z三个方向的归一化幅度，/>分别表示第k个天线阵列单元经子阵列划分为M类子阵列内部的第n个天线阵列单元仿真远场在X\Y\Z三个方向的相位。
本发明步骤四为系统误差的计算，具体计算方式为：通过电磁仿真得到天线阵列单元增益与本发明方法计算得到的天线阵列单元增益进行对比得到。计算天线阵列单元增益的方法为：首先计算远场场值数据rET：
abs表示绝对值。
其次计算辐射强度U：
再结合平均辐射强度Uave，得到天线阵列单元增益Gain_c：
系统误差为：
ΔGain＝Gain_c-Gain_o (10)
其中，Gain_c表示计算得到的天线阵列单元增益，Gain_o表示仿真得到的天线阵列单元增益。
本发明步骤五为W波段微带稀疏天线阵列前向增益计算，具体方法为：参见图3，考虑所有天线阵列单元的空间位置，在步骤三中获得的各个子阵列内部天线阵列单元1v电压0°相位激励下前向远场场值数据基础上，进行实际激励的幅度和相位的叠加，并采取电场矢量叠加的方式，得到X\Y\Z三个方向的前向总场值：
其中，天线阵列单元分别是X\Y\Z三个方向的前向总场值数据，Lxk、Lyk、Lzk分别是天线阵列单元的在X\Y\Z三个方向的坐标；Ek和/>是第k个天线阵列单元实际激励的幅度和相位，λ是电磁波波长；按照式(7)～(9)，计算获得W波段微带稀疏天线阵列前向增益，在此基础上减去系统误差，得到最终的天线阵列前向增益。
本发明步骤六：W波段微带稀疏天线阵列后向增益的计算，方法为：将图1的天线阵列单元的介质基底扩大，即介质长度为40mm，其他保持不变，天线阵列单元保持不变；仿真设置为：在1v电压0°相位激励下X\Y\Z三个方向的后向(即在球坐标系下俯仰角θ取90°～180°，方位角取0°～360°)远场场值数据(rE)，包括远场的幅度和相位信息，按照步骤五的方法，在获得的各个天线阵列单元在1v电压0°相位激励下后向远场场值数据基础上，进行实际激励的幅度和相位的叠加，并采取电场矢量叠加的方式，计算获得X\Y\Z三个方向的后向总场值。再按照式(7)～(9)，计算获得W波段微带稀疏天线阵列后向增益，在此基础上减去系统误差，得到最终的天线阵列后向增益。
本发明步骤七：将步骤五和步骤六得到的前、后向增益进行整合，最终获得W波段微带稀疏天线阵列全向增益，增益范围在球坐标系下俯仰角θ取0°～180°，方位角取0°～360°。实际观察增益方向为E面(θ取-180°～180°，方位角/>取0°)和H面(θ取-180°～180°，方位角/>取90°)，参见图4和图5。
参见图6和图7，为图2中的W波段微带稀疏天线阵列在采用常规计算方法的天线仿真软件仿真得到的E\H方向增益，与图4和图5的趋势一致，结果差异较小；参见图8和图9，采用本发明方法与天线仿真软件计算仿真W波段微带稀疏天线阵列增益的比对，从比对结果可以看出曲线吻合度非常好，计算精度较高；参见图10和图11，为采用传统方法(不考虑阵列单元耦合)计算与天线仿真软件仿真W波段微带稀疏天线阵列增益的比对，传统方法计算得到前向增益与天线仿真软件仿真的差异更大，在后向增益上基本不吻合，计算精度差；图12和图13进一步说明了本发明方法在计算W波段微带稀疏天线阵列增益的相对差值对比传统方法的优势，增益相对差值更小，计算精度更精确，满足设计要求。
同时，搜集本发明仿真计算W波段微带稀疏天线阵列过程中对计算机内存，CPU仿真时间的耗费，具体为：6.9G内存，0.8小时CPU时间；而天线仿真软件仿真该W波段微带稀疏天线阵列的计算机资源耗费为：167G内存，6.9小时CPU时间，可以比对得出本发明的方法具有耗费计算资源极少，计算效率高，可以快速得到W波段微带稀疏天线阵列的增益特性，且精度较高等优势。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本发明中采用的天线阵列的介质类型、尺寸、电磁参数，以及阵列单元数量、布局位置、扫描频段等等不仅仅局限于实施例中的具体描述。本发明所述的微带稀疏天线阵列增益快速计算方法不仅仅局限于微带稀疏阵列，对于其他形式的微带阵列也适用。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：天线阵列单元前向远场场值数据电磁仿真：通过电磁仿真获得微带稀疏天线阵列的天线阵列单元在激励下的X\Y\Z三个方向的前向远场场值数据、增益以及天线阵列单元辐射效率；
步骤二：子阵列划分和归类：根据设计好的微带稀疏天线阵列的布局，依次将邻近的耦合强度大于1％的天线阵列单元划分组成一个子阵列，并将结构相同的子阵列归为一种子阵列类型；
步骤三：子阵列内部天线阵列单元的前向远场场值数据电磁仿真：对步骤二中划分得到的不同子阵列类型的内部天线阵列单元分别进行激励，获得各子阵列类型内部天线阵列单元各自的前向远场场值数据；
步骤四：系统误差计算：根据步骤一中获得天线阵列单元的前向远场场值数据，通过电磁场换算功率，结合天线辐射效率，计算出该天线阵列单元的前向增益，并与步骤一电磁仿真直接获得的增益比对，得到系统误差；
步骤五：微带稀疏阵列前向增益计算：按照微带稀疏天线阵列各个天线阵列单元的实际激励，以及各个天线阵列单元的空间坐标，在步骤三中获得的各子阵列类型的内部天线阵列单元各自前向远场场值数据基础上，进行实际激励的幅度和相位的叠加，并采取电场矢量叠加的方式，获得最终微带稀疏天线阵列实际激励下的前向总的远场；采取电磁场与功率换算方式，结合天线阵列单元辐射效率以及步骤四中获得的系统误差修正，计算获得微带稀疏天线阵列的前向增益；
步骤六：微带稀疏阵列后向增益计算：增大天线阵列单元中介质的长度，扩大金属地面，通过电磁仿真获得天线阵列单元的后向远场场值数据；利用步骤五的方法，计算获得微带稀疏天线阵列的后向增益；
步骤七：微带稀疏天线阵列全向增益合成：将步骤五和步骤六得到的前、后向增益进行整合，最终获得微带稀疏天线阵列的全向增益；
X\Y\Z三个方向的远场场值数据获取方法具体为：采用1v电压0°相位的激励，电磁仿真获得该电压激励下XYZ三个方向的远场场值数据，其中，前向远场场值数据仿真时俯仰角θ取值0°～90°，方位角取值0°～360°；后向远场场值数据仿真时俯仰角θ取值90°～180°，方位角/>取值0°～360°。
2.根据权利要求1所述的微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，其特征在于，所述步骤四中系统误差计算具体为：
首先计算前向远场场值数据rET：
abs表示绝对值，分别表示X\Y\Z三个方向的前向远场场值数据；
其次计算辐射强度U：
再计算平均辐射强度Uave，并计算得到天线阵列单元增益Gain_c：
η为天线阵列单元辐射效率；
系统误差为：
ΔGain＝Gain_c-Gain_o
Gain_o表示仿真得到的天线阵列单元增益。
3.根据权利要求1所述的微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，其特征在于，所述步骤五中，微带稀疏天线阵列实际激励下的前向总的远场计算方法具体为：
其中，k表示天线阵列单元在微带稀疏天线阵列中的序号，分别是X\Y\Z三个方向的前向总场值数据，Lxk、Lyk、Lzk分别是天线阵列单元在X\Y\Z三个方向的空间坐标；Ek和/>是第k个天线阵列单元实际激励的幅度和相位，λ是电磁波波长；AxMnk、AyMnk、AzMnk分别表示第k个天线阵列单元经子阵列划分为M类子阵列内部的第n个天线阵列单元仿真远场在X\Y\Z三个方向的归一化幅度，/>表示第k个天线阵列单元经子阵列划分为M类子阵列内部的第n个天线阵列单元仿真远场在X\Y\Z三个方向的相位。
4.根据权利要求3所述的微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，其特征在于，所述步骤五中，微带稀疏天线阵列的前向增益的计算方法具体为：在获得X\Y\Z三个方向的前向总场值数据后，首先计算总远场场值数据rETT：
其次计算辐射强度UT：
再计算平均辐射强度UaveT，结合系统误差，得到天线阵列增益Gain_T：
ΔGain是步骤四中计算得到的系统误差。
5.根据权利要求1所述的微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，其特征在于，所述步骤六中，增大天线阵列单元中介质的长度为至少10倍的电磁波波长。
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