CN113361069A - 阵列天线方向图合成方法、系统、天线设计及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于天线技术领域,公开了一种阵列天线方向图合成方法、系统、天线设计及测量方法,所述阵列天线方向图合成方法通过使用测量或仿真得到的馈电结构的S参数矩阵以及天线阵列的S参数矩阵,对激励天线的幅度相位进行修正,得到更接近实际的天线阵列方向图。本发明可以在天线设计或天线测量中得到应用,在天线设计中,将天线与馈电结构的仿真分开,在降低仿真复杂度的同时获得的结果相对直接使用理想幅度相位激励天线的方法要准确。在天线测量中,将天线整体测量拆分成馈电结构测量与天线单元测量两步,在避免了大规模阵列在测量方向图时可能会遇到的馈电结构搭设等问题的同时对结果准确性没有明显影响。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域,尤其涉及一种阵列天线方向图合成方法、系统、天线设计及测量方法。
背景技术
天线阵列方向图是阵列天线的重要性能指标,用于表征阵列天线的辐射性能,是天线的重要指标之一。
对于如何仿真或测量得到阵列天线的方向图,主要方法有:
(1)使用固定结构的馈电网络,给予天线固定幅度相位的激励,直接得到天线整体性能,从而得到天线在某个状态的方向图特性,这种方法简单直接但缺乏灵活性,虽然可以使用巴特勒矩阵等矩阵结构馈电来增加可控范围,但仍然难以兼顾多种情况。
(2)使用可调的馈电网络,通过数字可调移相器、物理可调移相器或衰减器等元件控制各个天线单元激励的幅度和相位,得到不同状态时的天线方向图结果,这种方法灵活可控但是难以准确仿真,且会带来额外成本。
(3)使用天线单元方向图合成技术,通过阵列天线中各个单元单独激励时的天线方向图,加以后期给与的幅度相位信息,将各个单元的方向图合成,得到阵列天线在各个扫描角的方向图,这种方法得到的结果基于理论,不通过整体测试也能有很高的准确度。
但目前这种方法在使用时所用来合成的馈电幅度相位信息往往来源于理想的馈电网络结构,即通道间完全隔离,且完全匹配的网络,而在实际使用或测试时,普遍存在的通道间的耦合与通道本身的不匹配,必然使得天线与馈电结构级联后,天线各个单元的实际馈电幅度相位与仅由馈电结构仿真或测试得到的理论值不同,所以,由传统的天线单元方向图合成方法得到的结果并不完全准确。
通过上述分析,现有技术存在的问题及缺陷为:
(1)现有方法可以用于得到阵列天线方向图,但是存在使用固定结构的馈电网络在设计与测试时过于死板,难以应用于二维相控阵天线等拥有大量不同工作状态的天线。
(2)现有方法可以用于得到阵列天线方向图,但是存在使用可调结构的馈电网络很难在设计时将馈电结构与天线结构联系在一起。
(3)传统的天线单元方向图合成方法由于没有考虑实际使用时的馈电结构,比如,没有考虑馈电网络各端口间的互耦,馈电网络输入输出各端口的反射等实际情况,难以得到更准确结果。
解决以上问题及缺陷的难度为:天线方向图是用以表征阵列天线辐射性能的重要指标,可以直接指出天线可以实现的功能与性能。阵列天线如今得到了广泛应用,降低其设计与测试难度并同时保证精度是一个重要的问题。使用阵列单元方向图合成方法可以显著降低设计与测试难度,但如何将实际使用环境中的馈电网络因素准确地纳入考虑是问题的难点。
解决以上问题及缺陷的意义为:解决上述技术问题后可以为阵列天线的设计与测量提供一种易于使用并高精度的方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种阵列天线方向图合成方法、系统、天线设计及测量方法。
本发明是这样实现的,一种阵列天线方向图合成方法,所述阵列天线方向图合成方法包括:
通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵以及单元远电场方向图;
通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同;
由天线所应用环境得到馈电网络的实际馈电,与步骤S101,步骤S102中得到的天线S参数矩阵和馈电网络S参数矩阵代入公式,得到修正后的激励幅度相位;
使用修正后的激励幅度相位,将单元方向图乘以激励系数后相加,合成得到修正后的阵列远区电场方向图;
根据需要,将合成得到的远区电场方向图,转换为所需的方向图,比如增益方向图,或归一化的场方向图。
提参数部分。仿真结果用于设计,为了更准确的得到设计结果。提取实测参数为了测量,若无法进行级联之后的大规模网络测量,或者馈电网络无法提供调幅、调相等多种工作状态,那么提取各个模块的测试参数,再通过本方法得到级联之后的实际测试结果,而无需进行级联测试,结果非常准确。级联部分是本发明的核心。可以得到准确的级联之后的整体方向图,这是其他方法没有的结果。
因为充分考虑了系统中所有端口的反射(对于M*N的系统,考虑了M+N+N个端口的情况)、以及互耦的影响,所以得到的结果非常准确。很多系统测试时,收到阵列规模、馈电网络调节能力等影响,无法提供所有工作状态的测试结果,用本方法可以测出分模块的结果,再级联求得,降低了测试难度。
进一步,通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵Sa以及单元远电场方向图rE1…rEn,其中n为天线单元个数,用于后续的阵列方向图的合成。
进一步,通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵Sc,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同。
进一步,由天线所应用环境得到馈电网络的实际馈电A1,与得到的天线S参数矩阵和馈电网络S参数矩阵代入公式,得到修正后的激励幅度相位A3:
进一步,使用修正后的激励幅度相位,将单元方向图乘以激励系数后相加,合成得到修正后的阵列远区电场方向图:
其中n为天线单元个数。
进一步,所述阵列天线方向图合成方法的馈电网络为一个总共有m+n个端口的网络,其中n个端口用于连接天线,m个端口用于连接激励源,其S参数矩阵为Sc;天线共有n个单元,即n个端口,其S参数矩阵为Sa;
其中,ai(i=1…m+2n)表示网络输入,bi(i=1…m+2n)表示网络输出,为使表述简洁,令:
[a1…am]′=A1
[am+1…am+n]′=A2
[am+n+1…am+2n]′=A3
[b1…bm]′=B1
[bm+1…bm+n]′=B2
[bm+n+1…bm+2n]′=B3
A1代表馈电网络的输入,此处输入的是固定的激励,直接来源于信号源,A3代表天线各个单元实际得到的激励,与馈电网络的实际输出B2相等;
将矩阵Sc分块:
由S参数矩阵的定义知:
B3=Sa*A3
由于馈电网络与天线直接相连,得:
B2=A3;
A2=B3;
整理得:
进一步,所述阵列天线方向图合成方法使用一个一分二功分器作为馈电网络,使用两个不相同的天线单元组成天线阵列;采用的天线是矩形波导二元阵列,在另一维上结构保持均匀。两个天线单元输入口尺寸相同。由修正后的激励系数合成得到天线阵列方向图。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述阵列天线方向图合成方法的阵列天线方向图合成系统,所述阵列天线方向图合成系统包括:
S参数矩阵及单元远电场方向图获取模块,用于通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵以及单元远电场方向图;
S参数矩阵获取模块,用于通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同;
激励幅度相位修正模块,用于与得到的天线S参数矩阵和馈电网络S参数矩阵代入公式,得到修正后的激励幅度相位;
阵列远区电场方向图修正模块,用于使用修正后的激励幅度相位,将单元方向图乘以激励系数后相加,合成得到修正后的阵列远区电场方向图;
方向图转换模块,用于根据需要,将合成得到的远区电场方向图,转换为所需的方向图。
本发明的另一目的在于提供一种天线设计方法,所述天线设计方法使用所述阵列天线方向图合成方法;天线设计中,将天线与馈电结构的仿真分开。
本发明的另一目的在于提供一种天线测量方法,所述天线测量方法使用所述阵列天线方向图合成方法,在天线测量中,将天线整体测量拆分成馈电结构测量与天线单元测量两步。
结合上述的所有技术方案,本发明所具备的优点及积极效果为:在天线设计与测量过程中,本发明可以起到对传统阵列单元方向图合成方法的补充与改进。对于使用固定馈电网络的阵列天线,使用本发明的方法可以将馈电结构与天线的仿真分开,起到降低硬件需求以及加速设计的作用,并可以避免大规模阵列在计算时模型规模较大,无法仿真模拟或占用过多计算资源,仿真速度慢的问题;对于使用可调馈电网络或使用传统阵列单元方向图合成方法的阵列天线,可以通过提前测得实际的馈电网络在某种或某几种情况下的S参数矩阵,在仿真设计时使用此方法对结果加以修正,得到更准确的结果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的阵列天线方向图合成方法流程图。
图2是本发明实施例提供的阵列天线方向图合成系统的结构示意图;
图2中:1、S参数矩阵及单元远电场方向图获取模块;2、S参数矩阵获取模块;3、激励幅度相位修正模块;4、阵列远区电场方向图修正模块;5、方向图转换模块。
图3是本发明实施例提供的带有馈电结构的天线S参数网络图。
图4是本发明实施例提供的二元天线阵列结构图。
图5是本发明实施例提供的一分二功分网络结构图。
图6是本发明实施例提供的天线单元增益方向图。
图7是本发明实施例提供的使用此方法修正的增益结果对比示意图。
图8是本发明实施例提供的四元天线阵列结构图。
图9是本发明实施例提供的实例二馈电网络结构图。
图10是本发明实施例提供的实例2端口1馈电增益结果对比图。
图11是本发明实施例提供的实例2端口2馈电增益结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。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。
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种阵列天线方向图合成方法、系统、天线设计及测量方法,下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示,本发明提供的阵列天线方向图合成方法包括以下步骤:
S101:通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵以及单元远电场方向图;
S102:通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同;
S103:由天线所应用环境得到馈电网络的实际馈电,与步骤S101,步骤S102中得到的天线S参数矩阵和馈电网络S参数矩阵代入公式,得到修正后的激励幅度相位;
S104:使用修正后的激励幅度相位,将单元方向图乘以激励系数后相加,合成得到修正后的阵列远区电场方向图;
S105:根据需要,将合成得到的远区电场方向图,转换为所需的方向图,比如增益方向图,或归一化的场方向图等。
本发明提供的阵列天线方向图合成方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施,图1的本发明提供的阵列天线方向图合成方法仅仅是一个具体实施例而已。
如图2所示,本发明提供的阵列天线方向图合成系统包括:
S参数矩阵及单元远电场方向图获取模块1,用于通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵以及单元远电场方向图;
S参数矩阵获取模块2,用于通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同;
激励幅度相位修正模块3,用于与得到的天线S参数矩阵和馈电网络S参数矩阵代入公式,得到修正后的激励幅度相位;
阵列远区电场方向图修正模块4,用于使用修正后的激励幅度相位,将单元方向图乘以激励系数后相加,合成得到修正后的阵列远区电场方向图;
方向图转换模块5,用于根据需要,将合成得到的远区电场方向图,转换为所需的方向图。
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
天线单元方向图合成方法是一种用于得到天线阵列方向图的方法,本发明的理论基础是电场叠加原理,即如果在空间中有几个点电荷同时存在,这时在空间的某一点的电场强度等于各个点电荷单独存在时该点产生的电场强度的矢量和。由此原理可知,天线阵列的远区电场是各个单元单独激励时远区电场的叠加,在其他端口匹配的前提下,通过测量或仿真得到各个天线单元的远区电场,再由天线方向图扫描或方向图综合等需求,求得各个单元电场的激励相位系数后,对远区电场进行叠加,就可以得到天线阵列的远区电场方向图。
天线阵列在使用或测量时往往需要馈电网络结构,但由于天线与馈电结构在实际中无法做到各通道的完全匹配以及各通道间的完全隔离,天线各单元的实际馈电相位幅度会与仅由馈电结构理论计算或仿真得到的结果产生一定的偏差,这就导致了实际阵列的天线实际的远区电场方向图会与天线单元方向图合成方法得到的理论结果产生一定的不同。
假定天线网络结构如图3所示,馈电网络为一个总共有m+n个端口的网络,其中n个端口用于连接天线,m个端口用于连接激励源,其S参数矩阵为Sc;天线共有n个单元,即n个端口,其S参数矩阵为Sa。
其中,ai(i=1…m+2n)表示网络输入,bi(i=1…m+2n)表示网络输出,为使表述简洁,令:
[a1…am]′=A1 (1)
[am+1…am+n]′=A2 (2)
[am+n+1…am+2n]′=A3 (3)
[b1…bm]′=B1 (4)
[bm+1…bm+n]′=B2 (5)
[bm+n+1…bm+2n]=B3 (6)
由图3对照可知,A1代表馈电网络的输入,此处输入的是固定的激励,直接来源于信号源。A3代表天线各个单元实际得到的激励,与馈电网络的实际输出B2相等。
为方便分析,将矩阵Sc分块:
由S参数矩阵的定义可知:
B3=Sa*A3 (8)
由(7)得:
由于馈电网络与天线直接相连,可得:
B2=A3;
A2=B3;
将上式代入(9)得:
将(8)代入(10),并化简后可得:
整理得:
由于A1为固定激励源,Sa与Sc已知,所以就可以计算出天线的实际激励A3,对天线单元方向图合成方法进行幅度与相位上的修正,得到更为准确的结果。
本发明实施例提供的考虑馈电网络影响的阵列天线方向图合成方法,包括以下具体步骤:
步骤一:通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵Sa以及单元远电场方向图rE1…rEn,其中n为天线单元个数,用于后续的阵列方向图的合成。
步骤二:通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵Sc,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同。
步骤三:由天线所应用环境得到馈电网络的实际馈电A1,与步骤一,步骤二中得到的天线S参数矩阵和馈电网络S参数矩阵代入公式,得到修正后的激励幅度相位A3:
步骤四:使用修正后的激励幅度相位,将单元方向图乘以激励系数后相加,合成得到修正后的阵列远区电场方向图:
其中n为天线单元个数。
步骤五:根据需要,将合成得到的远区电场方向图,转换为所需的方向图,比如增益方向图,或归一化的场方向图等,合成得到的方向图没有极化方向,主极化或交叉极化等限定条件,合成得到的方向图种类仅取决于测试或仿真时所选定的单元方向图种类,所以,此发明亦可以适用于合成得到交叉极化方向图,轴比方向图等常用天线方向图。
在本发明的一个实例中,使用一个一分二功分器作为馈电网络,使用两个不相同的天线单元组成天线阵列。此处以一分二馈电网络以及二元天线阵列为例说明此发明使用方法,但此发明可以适用于任意端口数量的馈电网络与天线阵列,并可以对任意馈电情况下的方向图进行合成。
所采用的天线是矩形波导二元阵,是为了更容易地使辐射结构不受馈电网络影响,但本发明并不局限于矩形波导天线,并可以在馈电网络不影响辐射结构的前提下,适用于任意形式的天线阵列比如微带天线阵列,波导缝隙阵列等,天线平面结构如图4所示,在另一维上结构保持均匀。两个天线单元输入口尺寸相同,辐射口尺寸有区别。
功分网络是一个使用矩形波导,不等幅不等相位的功分器,其平面结构如图5所示,在另一维上结构保持均匀。功分网络输入口编号为1,输出口2连接天线端口1,输出口3连接天线端口2。
合成结果计算对比过程如下:
馈电结构S参数矩阵为:
可知不经过修正,仅由功分网络得到的对天线的激励为:
天线阵列S参数矩阵为:
使用公式进行修正,修正后得到的激励为:
再得到天线单元的增益方向图如图6所示。
下面结合对比对本发明的技术效果作详细的描述。
使用这两组激励与天线单元方向图合成天线阵列方向图,与天线阵列与馈电结构直接相连完整仿真得到的结果进行对比,对比结果如图7所示,可知此方法得到的结果要更准确。
实施例2
本实例使用一个七端口网络作为馈电网络,使用的天线阵列是四元矩形波导阵列,来说明多输入端口下的情况。
所采用的天线是矩形波导四元阵列,天线平面结构如图8所示,在另一维上结构保持均匀。端口1、2、4所代表单元结构相同。
功分网络是一个类似透镜的馈电网络,输入口为端口1、2、3,输出口为端口4、5、6、7,其平面结构如图9所示,在另一维上结构保持均匀。在不同端口输入时,输出口对天线的激励情况均不相同,可以产生多种波束。当其中某个或某几个端口激励时,剩余输入端口需解匹配负载。
合成结果计算对比过程如下,因为矩阵规模较大,此处直接给出天线激励修正前后对比:
在馈电网络端口1馈电时,若不经过修正,仅由功分网络得到的对天线的激励为:
使用公式进行修正,修正后得到的激励为:
使用这两组激励合成天线阵列方向图,与天线阵列与馈电结构直接相连完整仿真得到的结果进行对比,如图10所示,在馈电网络端口2馈电时,若不经过修正,仅由功分网络得到的对天线的激励为:
使用公式进行修正,修正后得到的激励为:
使用这两组激励合成天线阵列方向图,与天线阵列与馈电结构直接相连完整仿真得到的结果进行对比,如图11所示可知,此方法在较复杂的多输入馈电网络中也能保持较好的方向图合成精度。
应当注意,本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现;软件部分可以存储在存储器中,由适当的指令执行系统,例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现,例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现,也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现,也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
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,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,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种阵列天线方向图合成方法,其特征在于,所述阵列天线方向图合成方法包括:
通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵以及单元远区电场方向图;
通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同;
由天线所应用环境得到馈电网络的实际馈电,与步骤S101,步骤S102中得到的天线S参数矩阵和馈电网络S参数矩阵代入公式,得到修正后的激励幅度相位;
使用修正后的激励幅度相位,将单元方向图乘以激励系数后相加,合成得到修正后的阵列远区电场方向图;
根据需要,将合成得到的远区电场方向图,转换为所需的方向图,比如增益方向图,或归一化的场方向图。
2.如权利要求1所述的阵列天线方向图合成方法,其特征在于,通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵Sa以及单元远电场方向图rE1...rEn,其中n为天线单元个数,用于后续的阵列方向图的合成。
3.如权利要求1所述的阵列天线方向图合成方法,其特征在于,通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵Sc,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同。
6.如权利要求1所述的阵列天线方向图合成方法,其特征在于,所述阵列天线方向图合成方法的馈电网络为一个总共有m+n个端口的网络,其中n个端口用于连接天线,m个端口用于连接激励源,其S参数矩阵为Sc;天线共有n个单元,即n个端口,其S参数矩阵为Sa;
其中,ai(i=1…m+2n)表示网络输入,bi(i=1…m+2n)表示网络输出,为使表述简洁,令:
[a1…am]′=A1
[am+1…am+n]′=A2
[am+n+1…am+2n]′=A3
[b1…bm]′=B1
[bm+1…bm+n]′=B2
[bm+n+1…bm+2n]′=B3
A1代表馈电网络的输入,此处输入的是固定的激励,直接来源于信号源,A3代表天线各个单元实际得到的激励,与馈电网络的实际输出B2相等;
将矩阵Sc分块:
由S参数矩阵的定义知:
B3=Sa*A3
由于馈电网络与天线直接相连,得:
B2=A3;
A2=B3;
整理得:
7.一种实施权利要求1~6任意一项所述阵列天线方向图合成方法的阵列天线方向图合成系统,其特征在于,所述阵列天线方向图合成系统包括:
S参数矩阵及单元远电场方向图获取模块,用于通过对目标天线阵列模型进行仿真或对已加工天线实物进行测试,得到天线阵列的S参数矩阵以及单元远电场方向图;
S参数矩阵获取模块,用于通过仿真或测试得到天线需要使用的馈电网络的S参数矩阵,不同的馈电网络结构得到不同的S参数矩阵,修正的结果会有不同;
激励幅度相位修正模块,用于与得到的天线S参数矩阵和馈电网络S参数矩阵代入公式,得到修正后的激励幅度相位;
阵列远区电场方向图修正模块,用于使用修正后的激励幅度相位,将单元方向图乘以激励系数后相加,合成得到修正后的阵列远区电场方向图;
方向图转换模块,用于根据需要,将合成得到的远区电场方向图,转换为所需的方向图。
8.一种天线设计方法,其特征在于,所述天线设计方法使用权利要求1~6任意一项所述阵列天线方向图合成方法;天线设计中,将天线与馈电结构的仿真分开。
9.一种天线测量方法,其特征在于,所述天线测量方法使用权利要求1~6任意一项所述阵列天线方向图合成方法,在天线测量中,将天线整体测量拆分成馈电结构测量与天线单元测量两步。
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