CN113571920A - 一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法 - Google Patents

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李东松
陈鹏
林君键
余旭涛
田玲
张雷
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Abstract

本发明公开了一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法，该方法通过对处在天线阵列边缘的天线单元进行一定角度的弯曲以此达到共形的结构，不仅增加天线的有效辐射面积还保留了天线阵列较好的极化特性。弯曲后的天线单元，需要根据其天线单元中心的偏移以及采用平面相控阵组件，对其馈电的幅度和相位进行补偿，使得共形相控阵扫描角的辐射方向的增益最大，并且能提高扫描角的范围。本发明优点在于共形相控阵在使用平面相控阵组件，在减少研发共形相控阵组件的难度的同时，提高了相控阵天线的扫描角范围。

Description

一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法。
背景技术
相控阵天线相比于传统的机械扫描天线又更快的波束扫描速度，而且相控阵天线系统有着更高的稳定性以及更大的抗干扰能力。因此，相控阵天线被广泛的运用在在雷达以及卫星通信系统之中。但是由于过大的扫描角会导致栅瓣的出现以及增益的降低，目前使用平面相控阵天线的扫描角范围有限，通常被限制在±50°，系统需要配备多个天线阵列来实现全范围的扫描，这就增加了系统的成本以及复杂度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法，本发明可以在使用原有的平面相控阵组件的同时，获得更大的扫描角度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法，包括：
步骤S1、获取多个一维平面天线阵列，该一维平面天线阵列具有多个天线单元，相邻两个天线单元之间的间隔为半工作波长；
步骤S2、将所述多个一维平面天线阵列的两侧处的一个或者多个天线单元弯折一定角度；
步骤S3、将所述多个一维平面天线阵列按照镜像排布的方式，组成三维天线阵列，其中在相同方向上，相邻天线阵列的间隔也是半个工作波长，获得共形天线阵列；
步骤S4、根据主瓣和栅瓣的方向，对天线单元的功率分配权重以及配相进行修改，
其中，对于处于弯曲边缘的天线单元，根据计算其等效的点源相对于该列一维平面天线阵列所偏离的位置，对该处于弯曲边缘的天线单元的馈电进行相位补偿φ1，表达式为：
Figure BDA0003172559810000011
公式(1)中，λ为波长、dr为波程差，θ对应不同的扫描角；
在所述平面相控阵组件中，不同的天线单元采用了不同长度的缆线进行连接，对因采用了不同长度的缆线造成的相位差，对相应的天线单元的馈电进行相位补偿φ2。
进一步的，当所述平面相控阵组件进行了弯曲且贴合在所述共形载体的表面之后，天线单元的间距在共形载体的表面上是均匀相等的，其垂直投影的平面上天线单元的间距是不均匀的。
进一步的，对于不同的扫描角度，不同天线单元的的权重不同，要修改不同天线单元馈电的幅度的权重。
本发明的有益效果是：
本发明通过对平面天线阵列边缘的天线单元进行弯曲达到共形的效果，能够有效的提高天线阵列的扫描角范围。并且该组阵方法能够较好的保持天线阵列的极化特性。在通过对天线单元的馈电进行补偿之后，采用平面共相相控阵的组件，如馈电网络，能够减少设计共形相控组件带来的困难和成本。
附图说明
图1为实施例1中提供的一维阵列天线的顶面的示意图；
图2为实施例1中提供的一维阵列天线的底面的示意图；
图3为实施例1中的阵列天线几何中心偏离相位补偿计算图；
图4为实施例1中的一维阵列天线与原一维平面阵列天线的方向图对比图；
图5为实施例1中的三维阵列天线与原三维平面阵列天线的方向图对比图；
图6为实施例1中提供的一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-图6，本实施例提供一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法，包括：
首先，选择6个如图1和图2所示的一维平面天线阵列，该一维平面天线阵列具有4个印刷偶极子，在该一维平面天线阵列中，相邻的天线单元的间隔都为半工作波长，并且相邻天线的馈电巴伦采用镜像排布以消除辐射的不对称性。
然后，将该6个一维平面天线阵列的两侧处的一个天线单元均弯曲45°，用以在增大了向两边的辐射面积的同时，且达到了共形的效果。
其次，将该6个一维平面天线阵列，按照镜像排布的方式，组成了三维天线阵列，其中在相同方向上，相邻天线阵列的间隔也是半个工作波长，得到共形天线阵列。
最后，通过计算共形天线阵列相对于一维直线阵列的天线单元的几何中心偏移，来进一步计算因为几何中心的偏移而需进行馈电补偿的相位，表达式为：
Figure BDA0003172559810000031
dr＝dl*cos(90°-θ+22.5°)
Figure BDA0003172559810000032
公式中，dl为弯曲天线单元与相邻的中心天线单元的距离、λ为波长、dr为波程差；
Figure BDA0003172559810000033
为对应天线单元的几何中心偏离需要对其馈电补偿的相位，θ对应不同的扫描角。
不同的天线单元采用了不同长度的缆线进行连接，对因采用了不同长度的缆线造成的相位差，对相应的天线单元的馈电进行相位补偿φ2，表达式为：
Figure BDA0003172559810000034
其中，l1表示两根线缆中其中一根的长度，l2表示为另外一根的长度，λ为波长。
具体的说，为了验证本实施例中最终形成的共形相控阵天线的性能，因此，进行了仿真试验，仿真结果如图4和图5所示。图4为实施例的一维阵列天线与原一维平面阵列天线扫描角为60°时的方向图对比图，可以看出实施例的一维阵列天线在60°的增益比原一维平面阵列天线高出4.02dB。图5为实施例的三维阵列天线与原三维平面阵列天线扫描角为60°时的方向图对比图，可以看出实施例的三维阵列天线在60°的增益比原三维平面阵列天线高出9.07dB。天线阵列在不改变天线数量以及馈电结构的同时，增加了天线增列的扫描角。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法，其特征在于，包括：
步骤S1、获取多个一维平面天线阵列，该一维平面天线阵列具有多个天线单元，相邻两个天线单元之间的间隔为半工作波长；
步骤S2、将所述多个一维平面天线阵列的两侧处的一个或者多个天线单元弯折一定角度；
步骤S3、将所述多个一维平面天线阵列按照镜像排布的方式，组成三维天线阵列，其中在相同方向上，相邻天线阵列的间隔也是半个工作波长，获得共形天线阵列；
步骤S4、根据主瓣和栅瓣的方向，对天线单元的功率分配权重以及配相进行修改，
其中，对于处于弯曲边缘的天线单元，根据计算其等效的点源相对于该列一维平面天线阵列所偏离的位置，对该处于弯曲边缘的天线单元的馈电进行相位补偿φ1，表达式为：
Figure FDA0003172559800000011
公式(1)中，λ为波长、dr为波程差，θ对应不同的扫描角；
在所述平面相控阵组件中，不同的天线单元采用了不同长度的缆线进行连接，对因采用了不同长度的缆线造成的相位差，对相应的天线单元的馈电进行相位补偿φ2。
2.根据权利要求1所述的一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法，其特征在于，当所述平面相控阵组件进行了弯曲且贴合在所述共形载体的表面之后，天线单元的间距在共形载体的表面上是均匀相等的，其垂直投影的平面上天线单元的间距是不均匀的。
3.根据权利要求1所述的一种利用平面相控阵组件构建共形相控阵天线的方法，其特征在于，对于不同的扫描角度，不同天线单元的的权重不同，要修改不同天线单元馈电的幅度的权重。
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