CN113644456B - 一种w频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法，属于天线技术领域。实现方法包含有如下步骤：S1，根据两个波束宽度目标值，分别计算出对应的长度L₁和长度L₂，估算阵面总口径；S2，根据设定的扫描角目标值计算天线单元间距值d；S3，设置阵列增益G，估算阵面天线单元数量N；S4，估算俯仰方向按三角阵分布时可排布阵列行数；S5，仿真出天线单元尺寸；S6，计算出斜极化天线单元之间以各个角度相邻时的实际间距；S7，稀疏分布设计；S8，根据S5仿真出的天线单元尺寸构建天线单元，按照S7稀疏分布结果进行排布；S9，输出阵面设计。通过将三角阵和稀疏布阵相结合，得到的天线阵面实现了良好的方位副瓣抑制和俯仰覆盖效果。

Description

一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法

技术领域

本发明涉及一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法，属于天线技术领域。

背景技术

毫米波波段由于具有宽带、窄波束、抗干扰能力强等优势得到了广泛研究和发展，在现代通信和雷达领域具有重要应用价值。其中W频段（通常定义在60~110GHz之间的毫米波）因为波长短，通常在3-5mm之间，更适用于天线集成化和小型化的发展趋势，相应地产生了W频段电子对抗技术发展的必要。此外现代雷达应用中，通常采用水平或垂直极化天线，根据天线理论，发射天线和接收天线在极化匹配时效率最高，在极化正交时效率最低，斜45°极化的天线可以接收水平和垂直极化的信号，实现天线较高的效率，因而斜极化天线在电子对抗及相关领域有着独特的优势，据此在天线阵面设计时可以对其加以运用。

一维相扫阵作为新一代天线阵的关键技术之一，它利用天线单元组成线阵形成波束，再将线阵组成面阵，在一个维度上进行相扫，相较于普通天线阵列形式来说具有波束灵活可控、副瓣电平低、扫描速度快以及跟踪效率高等特点。

综上，将斜极化天线与一维相扫阵方式结合在W频段上进行开发和实现非常有必要。现有技术中已有针对W频段的天线阵列设计，其中：第一、从天线单元极化方式来看，多数采用水平或垂直极化，斜极化的应用非常少；第二、从天线单元的类型来说，目前大部分成熟的天线单元类型，例如缝隙、微带贴片、偶极子等因为工艺及损耗问题很难在W频段使用，而喇叭天线加工工艺不复杂，并且损耗小、增益高，因此喇叭天线已作为W频段天线阵的优选单元形式；第三、一维相扫阵大多数采用的是均匀线阵，但是均匀线阵不能很好的适用于W频段的斜极化天线形式，具体分析如下：线阵的天线单元间距需小于栅瓣条件（不产生栅瓣的天线单元间距限值），以矩形波导喇叭天线为例：若方位扫描±45°范围，栅瓣条件约为0.58

（

为相应波长）；传输波导的长边需大于0.5

，短边可依据实际情况适当缩短，如0.25

左右；兼顾喇叭的张角和单元间机加工时的最小间隔等限制条件，能实现水平极化的均匀线阵（因为0.25

＜0.58

，在间距范围内可放置喇叭天线并保证单元间的加工间隔）。若采用斜极化时，传输波导长边0.5

在水平方向占用0.35

，短边0.25

在水平方向占用0.18

，共0.53

，与单元间距0.58

尺寸相当，考虑到喇叭张角对增益的影响以及阵列加工的可行性，很难满足天线单元间距小于栅瓣条件，所以斜极化的喇叭天线均匀线阵很难实现。由此可见此种天线阵面的阵列布局设计难度较大。因此急需一种：基于所需达到的阵列增益等多种要求，克服栅瓣等问题，实现最优化并满足机加工量产要求的天线阵面的天线单元排布方法。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术的不足，提供一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法，包括有如下步骤：

步骤S1，通过相控阵的理论计算公式，设置天线阵面在方位方向上的波束宽度目标值和在俯仰方向上的波束宽度目标值，根据两个波束宽度目标值，分别计算出对应的长度L₁和长度L₂，估算出阵面的总口径L₁*L₂；

步骤S2，设置扫描角目标值

，根据扫描角目标值

计算出最大天线单元间距值d；计算公式为：

，其中

为波长；

步骤S3，设置阵列增益G目标值，根据阵列增益G目标值，估算阵面天线单元数量N，估算公式为：G=10*log（N）；

步骤S4，根据计算所得的天线单元间距值d以及长度L₂，估算出在俯仰方向按三角阵分布时可排布的阵列行数，阵列行数为L₂/d；

步骤S5，根据阵列增益G目标值以及计算所得的天线单元数量N，通过电磁仿真设计软件仿真出满足阵列增益要求的天线单元尺寸，所述阵列增益要求为：仿真出的阵列增益G大于等于设置的阵列增益G目标值；

步骤S6，根据仿真出的天线单元尺寸，以及相邻天线单元之间的机加工间距需要满足的最小尺寸计算出斜极化的天线单元之间以各个角度相邻时的实际间距；

步骤S7，根据所述步骤S1、步骤S3、步骤S4和步骤S6的计算结果为初始限制条件，以设定的计算条件对阵列进行稀疏分布设计；

步骤S8，通过电磁仿真设计软件，根据所述步骤S5仿真出的天线单元尺寸构建天线单元，将构建出的所述天线单元按照步骤S7得出的阵列稀疏分布结果进行排布，并验证；

步骤S9，输出完整的阵面设计。

进一步改进地，所述的计算条件包括波束宽度BW_X和副瓣抑制限值。

进一步改进地，所述步骤S7中，对阵列进行稀疏分布设计时，采用随机优化算法进行逐步优化，优化的步骤如下：

步骤SS1，采用随机优化算法进行稀疏布阵，得出一次排布结果；

步骤SS2，对优化出的一次排布结果进行波束宽度符合度判断和副瓣抑制符合度判断，包括：判断一次排布结果得到的波束宽度是否大于等于BW_X；判断一次排布结果得到的副瓣电平是否小于等于副瓣抑制限值；若所述波束宽度符合度判断结果为是且副瓣抑制符合度判断结果为是，则跳转至步骤SS3，若所述波束宽度符合度判断结果为否和/或副瓣抑制符合度判断结果为否则返回至步骤SS1进行下一次优化；

步骤SS3，输出最终的稀疏布阵结果。

进一步改进地，所述步骤S1中的理论计算公式为：

，

；

其中，

为波长，BW₁为阵面在方位方向上设定的波束宽度目标值；BW₂ 为阵面在俯仰方向上设定的波束宽度目标值。

进一步改进地，所述步骤S7中的随机优化算法为遗传算法或粒子群优化算法。

本技术方案的实现原理如下：

W频段采用一维相扫和斜极化的喇叭天线单元进行平面布阵必然会让天线单元间距成为阵列分布的难点，喇叭天线单元的口面尺寸及张角需同时满足天线辐射指标以及生产机加工时两个喇叭口面之间的介质最小距离要求。通常在二维阵列采用三角形排列方式布阵，称为三角阵，三角阵相比传统的布阵方式以满足栅瓣条件为基础，天线单元间距可以更大一些，即通过三角阵可以实现增加天线单元间距的目的，但三角阵需要两个维度上的天线单元数量较为接近，否则会产生显著的3D栅瓣，而一维相扫阵在两个维度上的天线单元数比值通常约在10：1以上，因而传统的三角阵不适用于一维相扫阵。

本发明先通过步骤S3和步骤S4形成类似二维阵列中的等边三角阵，以增大天线单元之间的间距，在有限的尺寸内保证喇叭张角，据此以保证天线总体的辐射增益要求，同时在阵面机加工时，如果天线单元之间的介质间隙太小会出现变形或者破孔，通过天线单元间距的加大，提高可生产性。接着通过步骤S6满足机加工时相邻两个天线单元之间的介质最小间距要求。但是通过步骤S3、S4和S6得到的阵列分布是不满足要求的，因为斜极化天线单元相比于垂直或水平极化单元占用的间距尺寸更大，造成天线单元之间的干涉，同时在方位方向上的天线单元数量远多于俯仰方向上的天线单元数量，会形成明显的3D栅瓣。进一步地通过步骤S7在阵面的方位方向进行稀疏分布设计，并通过步骤SS1-SS3进行迭代优化，实现天线单元数量的减少，规避了3D栅瓣，也进一步加大部分天线单元之间的间距，同时也避免了天线单元过少时因稀疏分布产生的高副瓣。

本发明的有益效果是：通过三角阵和稀疏布阵相结合的阵面实现方法，兼顾了三角阵和稀疏布阵的特点，实现了W频段的一维相扫斜极化喇叭天线阵面，且实现了良好的方位副瓣抑制和俯仰覆盖效果，方位扫描角度范围≥±45°，同时也兼顾了其他的方向图指标并满足了机加工要求。

附图说明

图1为实现方法流程图；

图2为稀疏分布优化逻辑图；

图3为实施例对应的天线单元分布图；

图4为实施例对应的法向方向图；

图5为实施例对应的-45°扫描方向图；

图6为实施例对应的45°扫描方向图；

图7为实施例对应的45°扫描3D方向图。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的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。

本发明提供一种技术方案：一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法，其中天线阵面位为工作在W频段的一维相扫阵面，组成天线阵面的天线单元为斜极化喇叭天线单元，本实施例采用的是矩形口面的喇叭天线单元。

如图1所示，实现方法步骤如下：

步骤S1，先设置天线阵面在方位方向的波束宽度目标值BW₁和在俯仰方向上的波束宽度目标值BW₂，采用侧射阵列的标准计算公式：

，

，分别计算出对应的长度L₁和长度L₂，

为波长，BW₁和 BW₂均为半功率主瓣宽度HPBW。然后估算出阵面的总口径L_1* L₂；

步骤S2，先设置扫描角目标值

，为使相控阵不出现栅瓣，根据设定的扫描角目标值

，计算出最大天线单元间距值d，

其中

为波长；

步骤S3，先设置阵列增益G目标值，考虑到阵面中的天线单元数量较多，通过公式G=10*log（N）去估算阵面天线单元数量N；

步骤S4，根据步骤S2计算出的天线单元间距值d以及步骤S1计算出的长度L₂，估算出在俯仰方向按三角阵分布时可排布的阵列行数，阵列行数计算公式为：L₂/d；

步骤S5，根据阵列增益G目标值以及计算所得的天线单元数量N，通过电磁仿真设计软件仿真出满足阵列增益要求的天线单元尺寸，阵列增益要求是指：仿真出的阵列增益G大于等于设置的阵列增益G目标值；三维电磁仿真软件可以采用常规的HFSS或CST，也可采用其他仿真软件；

步骤S6，根据步骤S5仿真出的天线单元尺寸，以及相邻天线单元之间的机加工间距需要满足的最小尺寸，计算出斜极化的天线单元之间以各个角度相邻时的实际间距；这里的最小尺寸是指相邻两个天线单元之间的介质的最小厚度；

步骤S7，将步骤S1、步骤S3、步骤S4和步骤S6的计算结果作为初始限制条件，设置方向图指标，以方向图指标作为计算条件，方向图指标包括：波束宽度BW_X和副瓣抑制限值，并综合考虑其他指标，然后对阵列进行稀疏分布并采用随机优化算法进行逐步优化，这里随机优化算法优化采用遗传算法或粒子群优化算法，也可以采用其他算法。如图2所示，优化步骤如下：

步骤SS1，采用随机优化算法进行稀疏布阵，得出一次排布结果；

步骤SS2，对优化出的一次排布结果进行波束宽度符合度判断和副瓣抑制符合度判断，包括：判断一次排布结果得到的波束宽度是否大于等于BW_X；判断一次排布结果得到的副瓣电平是否小于等于副瓣抑制限值；若波束宽度符合度判断结果为是且副瓣抑制符合度判断结果为是，则跳转至步骤SS3，若波束宽度符合度判断结果为否和/或副瓣抑制符合度判断结果为否则返回至步骤SS1进行下一次优化；

步骤SS3，输出最终的稀疏布阵结果；

通过步骤S7得出最优的阵列分布后，进行步骤S8；步骤S8采用常规的HFSS或CST进行仿真，首先根据步骤S5仿真出的天线单元尺寸构建天线单元，将构建出的天线单元按照步骤S7得出的阵列稀疏分布结果进行排布，并对得到的方向图进行验证；

步骤S9，输出完整的阵面设计。

通过设定：天线阵面工作频率94GHz，方位方向HPBW≥1°，俯仰方向HPBW≥35°，扫描角≥±45°，阵列增益≥25dBi ，方位轴向副瓣≤-14dB，3D副瓣≤-10dB， 机加工间隔最小尺寸≥0.45mm ，实现如图3所示的天线单元排布方式，该阵面共计96个喇叭天线单元，天线单元之间间隔的最小尺寸为0.45mm。根据图4的法向方向图（-10.00、-20.00以及-30.00为读取增益的刻度尺，从外第一圈往里依次为-10.00、-20.00和-30.00，图5和图6中也是同样的刻度尺表示）可以看出，该阵面在无幅度加权的条件下俯仰方向半功率波束宽度37°，方位方向半功率波束宽度1°。根据图5的-45°扫描方向图和图6的45°扫描方向图可以看出，方位轴向副瓣低于-14dB。根据图6的45°扫描3D方向图可以看出，3D副瓣低于-10dB，阵列增益25dBi。综上，该阵面具有良好的方位副瓣抑制效果和俯仰覆盖效果，实现了设计目标，也兼容了其他方向图指标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法，其特征在于：包括有如下步骤：

步骤S1，通过相控阵的理论计算公式，设置天线阵面在方位方向上的波束宽度目标值和在俯仰方向上的波束宽度目标值，根据两个波束宽度目标值，分别计算出对应的长度L₁和长度L₂，估算出阵面的总口径L₁*L₂；所述理论计算公式为：

，

，其中

为波长，BW₁为阵面在方位方向上设定的波束宽度目标值，BW₂ 为阵面在俯仰方向上设定的波束宽度目标值；

步骤S2，设置扫描角目标值

，根据扫描角目标值

计算出最大天线单元间距值d；计算公式为：

，其中

为波长；

步骤S3，设置阵列增益G目标值，根据阵列增益G目标值，估算阵面天线单元数量N，估算公式为：G=10*log（N）；

步骤S4，根据计算所得的天线单元间距值d以及长度L₂，估算出在俯仰方向按三角阵分布时可排布的阵列行数，阵列行数为L₂/d；

步骤S5，根据阵列增益G目标值以及计算所得的天线单元数量N，通过电磁仿真设计软件仿真出满足阵列增益要求的天线单元尺寸，所述阵列增益要求为：仿真出的阵列增益G大于等于设置的阵列增益G目标值；

步骤S6，根据仿真出的天线单元尺寸，以及相邻天线单元之间的机加工间距需要满足的最小尺寸计算出斜极化的天线单元之间以各个角度相邻时的实际间距；

步骤S7，根据所述步骤S1、步骤S3、步骤S4和步骤S6的计算结果为初始限制条件，以设定的计算条件对阵列进行稀疏分布设计，所述计算条件包括波束宽度BW_X和副瓣抑制限值；

步骤S8，通过电磁仿真设计软件，根据所述步骤S5仿真出的天线单元尺寸构建天线单元，将构建出的所述天线单元按照步骤S7得出的阵列稀疏分布结果进行排布，并验证；

步骤S9，输出完整的阵面设计。

2.根据权利要求1所述的一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法，其特征在于：所述步骤S7中，对阵列进行稀疏分布设计时，采用随机优化算法进行逐步优化，优化的步骤如下：

步骤SS1，采用随机优化算法进行稀疏布阵，得出一次排布结果；

步骤SS2，对优化出的一次排布结果进行波束宽度符合度判断和副瓣抑制符合度判断，包括：判断一次排布结果得到的波束宽度是否大于等于BW_X；判断一次排布结果得到的副瓣电平是否小于等于副瓣抑制限值；若所述波束宽度符合度判断结果为是且副瓣抑制符合度判断结果为是，则跳转至步骤SS3，若所述波束宽度符合度判断结果为否和/或副瓣抑制符合度判断结果为否则返回至步骤SS1进行下一次优化；

步骤SS3，输出最终的稀疏布阵结果。

3.根据权利要求2所述的一种W频段一维相扫斜极化喇叭天线阵面的实现方法，其特征在于：所述步骤S7中的随机优化算法为遗传算法或粒子群优化算法。

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