CN113794062B - 和差波束天线的子阵划分和电压分布方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种和差波束天线的子阵划分和电压分布方法、装置，所述方法包括：确定天线的子阵总数和天线单元总数，计算各个种类子阵中的天线单元数；根据各个种类子阵中的天线单元数之间的数量关系，调整天线中的子阵种类数；进行天线半阵的天线单元子阵划分；提取天线的方向图的副瓣，对天线半阵的子阵进行电压分布调整。采用上述技术方案，在降低子阵种类数的基础上，可以降低天线结构的复杂度，同时降低子阵生产模具数量，便于生产天线单元与功分器一体化的子阵。

Description

和差波束天线的子阵划分和电压分布方法、装置

技术领域

本发明涉及天线设计技术领域，尤其涉及一种和差波束天线的子阵划分和电压分布方法、装置。

背景技术

天线形成和差波束的方案是将天线阵列分为左右两个半阵，设置两路接收通道，两路接收通道等幅同相合成得到和波束，等幅反向合成得到差波束。基于天线形成的和差波束，测角精度可达十分之一波束宽度以下。天线实现低副瓣的方法是通过对天线单元进行幅度加权，如泰勒加权、切比雪夫权等，使方向图的最大副瓣在-30dB以下。天线的低副瓣设计可有效减小杂波/干扰对雷达探测的影响，提升雷达在复杂背景和电磁环境检测目标的能力。

子阵由多个独立的天线单元组合而成，多个子阵组成整个天线阵列。采用子阵划分，使得大型阵列的制作和安装更为方便，具有诱人的应用前景。

现有技术的天线设计方案中，通过划分子阵实现和差波束和低副瓣方向图时，要求左右半阵镜像对称，在此前提下，低副瓣设计存在以下问题：多子阵设计时，采用泰勒加权或切比雪夫加权，因子阵间幅度分布不同，导致子阵划分种类繁多，设计、加工和安装复杂度大大增加，同时天线单元与功分器之间通过电缆组件连接时，会增加损耗。

发明内容

发明目的：本发明提供一种和差波束天线的子阵划分和电压分布方法、装置，旨在根据天线阵列中的天线单元数量，确定天线中子阵种类，在降低子阵种类数的基础上，可以降低天线结构的复杂度，同时降低子阵生产模具数量，便于生产天线单元与功分器一体化的子阵。

技术方案：本发明提供一种和差波束天线的子阵划分和电压分布方法，包括：确定天线的子阵总数和天线单元总数，计算各个种类子阵中的天线单元数；根据各个种类子阵中的天线单元数之间的数量关系，调整天线中的子阵种类数；根据天线的子阵种类数，进行天线半阵的天线单元子阵划分；计算天线的方向图，提取其中的副瓣，对天线半阵的子阵进行电压分布调整，直到提取的副瓣的数值变化在标准范围内；根据天线的子阵种类数，确定对天线子阵进行仿真设计的次数，并进行仿真设计；计算仿真天线的方向图，根据天线的子阵种类数，确定对子阵的功分器电压分布的调整次数，并进行电压分布调整。

具体的，所述计算各个种类子阵中的天线单元数，包括：按照以下公式形式表达一维线阵天线的天线单元总数Z：

Z=2（M₁×n₁＋M₂×n₂），

其中，n₁和n₂分别为子阵个数，M₁和M₂分别为对应子阵中的天线单元数。

具体的，若M₁等于M₂，则子阵种类数调整为2；若M₁不等于M₂，则子阵种类数调整为4。

具体的，若子阵种类数为2，则将天线半阵的天线单元均匀划分为多个相同的子阵；若子阵种类数为4，则将天线半阵的天线单元划分为2种种类的多个子阵；将天线的两个半阵镜像对称设置。

具体的，采用遗传算法对子阵的功分器进行迭代计算，每次迭代后提取天线方向图中的最小副瓣，直到连续提取预设次数的最小副瓣相比上一次提取的最小副瓣的数值变化，均在标准范围内，则选取其中最小副瓣最小时的电压分布。

具体的，计算在选取的电压分布下，检测频率点处的方向图，若方向图中的最小副瓣的数值变化在检测范围内，则确定选取的电压分布。

具体的，若M₁等于M₂，则仿真设计的次数为1；若M₁不等于M₂，则仿真设计的次数为2。

具体的，使用高频结构仿真，建立天线单元与功分器一体化模型。

具体的，若M₁等于M₂，则调整1种子阵中功分器的电压分布；若M₁不等于M₂，则调整2种子阵中功分器的电压分布。

本发明还提供一种和差波束天线的子阵划分和电压分布装置，包括：数量获取单元、种类调整单元、子阵划分单元、第一电压分布单元、仿真单元和第二电压分布单元，其中：所述数量获取单元，用于确定天线的子阵总数和天线单元总数，计算各个种类子阵中的天线单元数；所述种类调整单元，用于根据各个种类子阵中的天线单元数之间的数量关系，调整天线中的子阵种类数；所述子阵划分单元，用于根据天线的子阵种类数，进行天线半阵的天线单元子阵划分；所述第一电压分布单元，用于计算天线的方向图，提取其中的副瓣，对天线半阵的子阵进行电压分布调整，直到提取的副瓣的数值变化在标准范围内；所述仿真单元，用于根据天线的子阵种类数，确定对天线子阵进行仿真设计的次数，并进行仿真设计；所述第二电压分布单元，用于计算仿真天线的方向图，根据天线的子阵种类数，确定对子阵的功分器电压分布的调整次数，并进行电压分布调整。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：在降低子阵种类数的基础上，可以降低天线结构的复杂度，同时降低子阵生产模具数量，便于生产天线单元与功分器一体化的子阵。

附图说明

图1为本发明提供的和差波束天线的子阵划分和电压分布的流程示意图；

图2为128个天线单元的天线阵列应用泰勒加权的方向图；

图3为128个天线单元的天线阵列应用本发明提供的方法的方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

参阅图1，其为本发明提供的和差波束天线的子阵划分和电压分布的流程示意图。

步骤1，确定天线的子阵总数和天线单元总数，计算各个种类子阵中的天线单元数。

在具体实施中，首先需要进行子阵种类数目优化，在次步骤中，需要获取天线所需的子阵总数和天线单元总数，由于和差波束天线的特殊性，要求天线阵列的左右半阵镜像对称，因此依据子阵总数和天线单元总数的不同，子阵种类数和子阵的划分方式会有不同。

本发明实施例中，按照以下公式形式表达一维线阵天线的天线单元总数Z：

Z=2（M₁×n₁＋M₂×n₂），

其中，n₁和n₂分别为子阵个数，M₁和M₂分别为对应子阵中的天线单元数。

在具体实施中，n₁为天线单元数为M₁的子阵的数量，n₂为天线单元数为M₂的子阵的数量，由于天线的设计要求等因素，虽然子阵中的天线单元数量相等，但其中功分器的加权方式（电压分布）也有所不同，因此天线单元数量相等的子阵也可以为不同种类的子阵。具体来说，对于天线半阵而言，天线单元数为（M₁×n₁＋M₂×n₂），子阵种类数为（n₁＋n₂）。

在具体实施中，M₁个天线单元与M₁路功分器一体化设计，需满足结构尺寸及易加工要求；M₂个天线单元与M₂路功分器一体化设计，需满足结构尺寸及易加工要求

步骤2，根据各个种类子阵中的天线单元数之间的数量关系，调整天线中的子阵种类数。

在具体实施中，现阶段的子阵种类数为（n₁＋n₂），意味着设计子阵的功分器加权方式的次量，和子阵一体化生产模具的数量，都需要以（n₁＋n₂）为基数进行计算，那么可想而知，天线阵列的设计和结构复杂度、生产成本都会较高。而根据天线单元数量的不同，减少天线中的子阵种类数，半阵中天线数量相同的子阵确定为相同种类的子阵，可以减少子阵种类数，进而可以显著降低设计和结构复杂度、生产成本。

本发明实施例中，若M₁等于M₂，则子阵种类数调整为2；若M₁不等于M₂，则子阵种类数调整为4。

本发明实施例中，若子阵种类数为2，则将天线半阵的天线单元均匀划分为多个相同的子阵；若子阵种类数为4，则将天线半阵的天线单元划分为2种种类的多个子阵；

将天线的两个半阵镜像对称设置。

在具体实施中，在M₁等于M₂时，说明天线单元总数是4的倍数，在天线阵列划分为左右镜像对称半阵（左右半阵的子阵种类不同）的基础上，一个半阵中的天线单元数可以均匀的划分至各个子阵，也即一个半阵中的子阵种类数为1。在M₁不等于M₂时，说明天线单元总数是2的倍数，在天线阵列划分为左右镜像对称半阵的基础上，一个半阵中可以有两种天线数量的子阵，也即一个半阵中的子阵种类数为2。

步骤3，根据天线的子阵种类数，进行天线半阵的天线单元子阵划分。

在具体实施中，在明确了子阵种类数后，可以将确定数量的天线单元划分至相应的子阵。

步骤4，计算天线的方向图，提取其中的副瓣，对天线半阵的子阵进行电压分布调整，直到提取的副瓣的数值变化在标准范围内。

在具体实施中，在完成了子阵划分后，可以调整子阵功分器的加权，在子阵种类的基础上，相同子阵的功分器的加权相同，在调整过程中，相同子阵种类的功分器采用相同的加权方式（电压分布），以相同的方式调整。

本发明实施例中，采用遗传算法对子阵的功分器进行迭代计算，每次迭代后提取天线方向图中的最小副瓣，直到连续提取预设次数的最小副瓣相比上一次提取的最小副瓣的数值变化，均在标准范围内，则选取其中最小副瓣最小时的电压分布。

在具体实施中，遗传算法是一种迭代计算方法，可以不断调整功分器的加权方式，以达到低副瓣的目标。需要说明的是，由于相同子阵种类的功分器采用相同的功分器加权方式，相当于减少了大量的变量参数，在迭代计算过程中，可以显著的降低计算量，提升计算效率。

在具体实施中，在多次计算而最小副瓣相较上一次的最小副瓣的数值变化在标准范围内，可以认为算法收敛，得到理想最低副瓣。标准范围可以根据实际应用场景进行相应的设定。

本发明实施例中，之后还包括：计算在选取的电压分布下，检测频率点处的方向图，若方向图中的最小副瓣的数值变化在检测范围内，则确定选取的电压分布。

在具体实施中，检测频率点可以是高、中、低三个频点，由于在不同频率点下的方向图的副瓣可能会产生变化，为了避免在其他频点下方向图的变化过大，可以切换频点计算方向图。

步骤5，根据天线的子阵种类数，确定对天线子阵进行仿真设计的次数，并进行仿真设计。

本发明实施例中，若M₁等于M₂，则仿真设计的次数为1；若M₁不等于M₂，则仿真设计的次数为2。

在具体实施中，由于左右半阵的镜像对称性，因此只需要对半阵进行仿真设计即可，由此又可以进一步的降低设计工作量，同时由于对称性，对于工作状态、潜在故障及维护具有高度的可靠性和可控性。

本发明实施例中，使用高频结构仿真，建立天线单元与功分器一体化模型。

在具体实施中，使用HFSS（High Frequency Structure Simulator）电磁仿真软件，建立天线单元与功分器一体化模型，优化总口电压驻波比，使功分器满足电压分布的同时，子阵达到良好的匹配特性。

步骤6，计算仿真天线的方向图，根据天线的子阵种类数，确定对子阵的功分器电压分布的调整次数，并进行电压分布调整。

在具体实施中，将2（n₁+n₂）个子阵模型排列成阵列模型。

本发明实施例中，若M₁等于M₂，则调整1种子阵中功分器的电压分布；若M₁不等于M₂，则调整2种子阵中功分器的电压分布。

在具体实施中，在左右半阵镜像对称的基础上，只需要对半阵中的1种或2种子阵进行电压分布调整，显著降低了复杂度，设计、加工、安装效率提升高、经济性好。

如下就128个单元的线阵，分布进行泰勒加权和本发明提供的方法加权，对比仿真结果。

参阅图2，以及表1泰勒加权左半阵电压分布表：

表1

使用本发明提供的方法时，线阵分为8个子阵，每个子阵包含16个天线单元，左边4个子阵与右边4个子阵镜像对称，通过子阵加权优化，得到线阵电压分布。参阅图3，以及左半阵电压分布如表2所示：

表2

对比仿真结果，可见使用泰勒加权时，子阵1、子阵2、子阵3和子阵4内部电压分布均不一样，因此需要对每个子阵分别进行设计，存在子阵种类多、设计量大、复杂度高，经济性差等缺陷。而使用本发明提供的方法后，4个子阵内部电压分布均一样，仅需对其中一个子阵进行设计。减少了子阵种类，减小了设计量，降低了复杂度，提高了经济性。

本发明还提一种和差波束天线的子阵划分和电压分布装置，包括：数量获取单元、种类调整单元、子阵划分单元、第一电压分布单元、仿真单元和第二电压分布单元，其中：所述数量获取单元，用于确定天线的子阵总数和天线单元总数，计算各个种类子阵中的天线单元数；所述种类调整单元，用于根据各个种类子阵中的天线单元数之间的数量关系，调整天线中的子阵种类数；所述子阵划分单元，用于根据天线的子阵种类数，进行天线半阵的天线单元子阵划分；所述第一电压分布单元，用于计算天线的方向图，提取其中的副瓣，对天线半阵的子阵进行电压分布调整，直到提取的副瓣的数值变化在标准范围内；所述仿真单元，用于根据天线的子阵种类数，确定对天线子阵进行仿真设计的次数，并进行仿真设计；所述第二电压分布单元，用于计算仿真天线的方向图，根据天线的子阵种类数，确定对子阵的功分器电压分布的调整次数，并进行电压分布调整。

本发明实施例中，所述数量获取单元，用于按照以下公式形式表达一维线阵天线的天线单元总数Z：

Z=2（M₁×n₁＋M₂×n₂），

其中，n₁和n₂分别为子阵个数，M₁和M₂分别为对应子阵中的天线单元数。

本发明实施例中，所述种类调整单元，用于若M₁等于M₂，则子阵种类数调整为2；若M₁不等于M₂，则子阵种类数调整为4。

本发明实施例中，所述子阵划分单元，用于若子阵种类数为2，则将天线半阵的天线单元均匀划分为多个相同的子阵；若子阵种类数为4，则将天线半阵的天线单元划分为2种种类的多个子阵；将天线的两个半阵镜像对称设置。

本发明实施例中，所述第一电压分布单元，用于采用遗传算法对子阵的功分器进行迭代计算，每次迭代后提取天线方向图中的最小副瓣，直到连续提取预设次数的最小副瓣相比上一次提取的最小副瓣的数值变化，均在标准范围内，则选取其中最小副瓣最小时的电压分布。

本发明实施例中，所述第一电压分布单元，还用于计算在选取的电压分布下，检测频率点处的方向图，若方向图中的最小副瓣的数值变化在检测范围内，则确定选取的电压分布。

本发明实施例中，所述仿真单元，用于若M₁等于M₂，则仿真设计的次数为1；若M₁不等于M₂，则仿真设计的次数为2。

本发明实施例中，所述仿真单元，用于使用高频结构仿真，建立天线单元与功分器一体化模型。

本发明实施例中，所述第二电压分布单元，用于若M₁等于M₂，则调整1种子阵中功分器的电压分布；若M₁不等于M₂，则调整2种子阵中功分器的电压分布。

Claims (7)

1.一种和差波束天线的子阵划分和电压分布方法，其特征在于，包括：

确定天线的子阵总数和天线单元总数，计算各个种类子阵中的天线单元数；

根据各个种类子阵中的天线单元数之间的数量关系，调整天线中的子阵种类数；调整步骤包括：按照以下公式形式表达一维线阵天线的天线单元总数Z：

Z=2（M₁×n₁＋M₂×n₂），

其中，n₁ 和n₂分别为子阵个数，M₁和M₂分别为对应子阵中的天线单元数；若M₁等于M₂，则子阵种类数调整为2；若M₁不等于M₂，则子阵种类数调整为4；

根据天线的子阵种类数，进行天线半阵的天线单元子阵划分；划分步骤包括：若子阵种类数为2，则将天线半阵的天线单元均匀划分为多个相同的子阵；若子阵种类数为4，则将天线半阵的天线单元划分为2种种类的多个子阵；将天线的两个半阵镜像对称设置；

计算天线的方向图，提取其中的副瓣，对天线半阵的子阵进行电压分布调整，直到提取的副瓣的数值变化在标准范围内；

根据天线的子阵种类数，确定对天线子阵进行仿真设计的次数，并进行仿真设计；

计算仿真天线的方向图，根据天线的子阵种类数，确定对子阵的功分器电压分布的调整次数，并进行电压分布调整。

2.根据权利要求1所述的和差波束天线的子阵划分和电压分布方法，其特征在于，所述直到提取的副瓣的数值变化在标准范围内，包括：

采用遗传算法对子阵的功分器进行迭代计算，每次迭代后提取天线方向图中的最小副瓣，直到连续提取预设次数的最小副瓣相比上一次提取的最小副瓣的数值变化，均在标准范围内，则选取其中最小副瓣最小时的电压分布。

3.根据权利要求2所述的和差波束天线的子阵划分和电压分布方法，其特征在于，所述直到提取的副瓣的数值变化在标准范围内，之后还包括：

计算在选取的电压分布下，检测频率点处的方向图，若方向图中的最小副瓣的数值变化在检测范围内，则确定选取的电压分布。

4.根据权利要求3所述的和差波束天线的子阵划分和电压分布方法，其特征在于，所述根据天线的子阵种类数，确定对天线子阵进行仿真设计的次数，包括：

若M₁等于M₂，则仿真设计的次数为1；若M₁不等于M₂，则仿真设计的次数为2。

5.根据权利要求4所述的和差波束天线的子阵划分和电压分布方法，其特征在于，所述并进行仿真设计，包括：

使用高频结构仿真，建立天线单元与功分器一体化模型。

6.根据权利要求5所述的和差波束天线的子阵划分和电压分布方法，其特征在于，所述根据天线的子阵种类数，确定对子阵的功分器电压分布的调整次数，包括：

若M₁等于M₂，则调整1种子阵中功分器的电压分布；若M₁不等于M₂，则调整2种子阵中功分器的电压分布。

7.一种和差波束天线的子阵划分和电压分布装置，其特征在于，包括：数量获取单元、种类调整单元、子阵划分单元、第一电压分布单元、仿真单元和第二电压分布单元，其中：

所述数量获取单元，用于确定天线的子阵总数和天线单元总数，计算各个种类子阵中的天线单元数；

所述种类调整单元，用于根据各个种类子阵中的天线单元数之间的数量关系，调整天线中的子阵种类数；调整步骤包括：按照以下公式形式表达一维线阵天线的天线单元总数Z：

Z=2（M₁×n₁＋M₂×n₂），

其中，n₁ 和n₂分别为子阵个数，M₁和M₂分别为对应子阵中的天线单元数；若M₁等于M₂，则子阵种类数调整为2；若M₁不等于M₂，则子阵种类数调整为4；

所述子阵划分单元，用于根据天线的子阵种类数，进行天线半阵的天线单元子阵划分；划分步骤包括：若子阵种类数为2，则将天线半阵的天线单元均匀划分为多个相同的子阵；若子阵种类数为4，则将天线半阵的天线单元划分为2种种类的多个子阵；将天线的两个半阵镜像对称设置；

所述第一电压分布单元，用于计算天线的方向图，提取其中的副瓣，对天线半阵的子阵进行电压分布调整，直到提取的副瓣的数值变化在标准范围内；

所述仿真单元，用于根据天线的子阵种类数，确定对天线子阵进行仿真设计的次数，并进行仿真设计；

所述第二电压分布单元，用于计算仿真天线的方向图，根据天线的子阵种类数，确定对子阵的功分器电压分布的调整次数，并进行电压分布调整。

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