CN113919166A - 一种多波束相控阵天线增益和相位中心的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多波束相控阵天线增益和相位中心的分析方法，属于多波束相控阵天线分析方法技术领域。本发明包括参数输入、计算相位差、计算主要参与辐射的天线数量、阵列场强累加、计算增益和相位中心等步骤。本发明能够对任意阵列进行多波束阵列综合，并形成增益方向图和相位中心分布图，用于对特定形式的阵列天线进行相位中心分布仿真，同时，通过特定的参数设置，实现阵列天线对阵元间距、阵列形式、随机阵元失效等随机和工程误差对阵列天线增益方向图和相位中心的影响。

Description

一种多波束相控阵天线增益和相位中心的分析方法
技术领域
本发明属于多波束相控阵天线分析技术领域，具体涉及一种多波束相控阵天线阵增益和相位中心的分析方法。
背景技术
多波束相控阵天线能够通过调整波束指向及波束形状，其在视场范围内移动时，对特定区域的覆盖特性基本不变。因此，在卫星通信、测控以及军事战术通信等领域得到广泛应用。
多波束相控阵天线的增益和相位中心受合成的波束数量、单元天线的阵列模式和方向性图影响，通常只有通过电磁仿真软件仿真才能获得。但受限于计算机的内存和处理器的能力，通过电磁仿真软件获得结果需要很长的时间，难以满足研发人员短时间内得到多波束相控阵天线的增益和相位中心的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种多波束相控阵天线增益和相位中心的分析方法。该方法不需要电磁仿真软件较长时间对多波束相控阵天线仿真，就可以获得针对不同波束数量、单元天线的阵列模式和方向性图多波束相控阵增益和相位中心，并可通过更改单元天线的阵列中参量，仿真分析加权形式、边界形式、栅栏形式、阵列间距、通道失配、加工安装等设备设计、加工、安装因素对天线增益和相位中心变化影响。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多波束相控阵天线增益和相位中心的分析方法，包括以下步骤：
(1)获取频率f、阵列模式矩阵[S]、单元天线方向图矩阵[U]、波束数量K和每个波束对应的方位角θk、俯仰角
Figure BDA0003309721920000021
(2)获取单元天线的法线夹角与指定波束方向小于80°的单元天线数量，即参与辐射的天线数量N；
(3)计算指定波束方向上参与辐射的单元天线距等相位面的相位差ψn；
(4)获得自由空间每个方向上离散化的方位角、俯仰角；
(5)获得自由空间每个方向与参与辐射的单元天线法线方向的夹角，并根据此夹角读取单元天线方向图矩阵[U]的数据，获取参与辐射的天线单元在各个自由空间方向的电场强度
Figure BDA0003309721920000022
(6)根据相位差ψn和阵列模式矩阵中通道可用性、通道增益和相位失配度、空间坐标误差的情况，累加参与辐射的天线单元在自由空间各个方向的电场强度
Figure BDA0003309721920000023
得到天线阵列在自由空间各个方向的电场强度
Figure BDA0003309721920000024
(7)根据自由空间每个方向的电场强度
Figure BDA0003309721920000025
波束数量K、参与辐射的天线数量N，计算得到相控阵每个方向上的增益
Figure BDA0003309721920000026
(8)根据相位差ψn和阵列模式矩阵中通道相位失配度、空间坐标误差的情况，计算每一个参与辐射的天线的偏移坐标x’n、y’n、z’n；
(9)对偏移坐标x’n’、y’n、z’n分别取平均值，获得阵列天线的相位中心；
(10)重复步骤(2)-(9)，获得其他波束方向的增益和相位中心。
本发明的有益效果在于：
1、本发明将能够对任意阵列进行多波束阵列综合，并形成增益方向图和相位中心分布图。
2、本发明通过特定的参数设置，可实现阵列天线对阵元间距、阵列形式、随机阵元失效等随机和工程误差对阵列天线方向图和相位中心的影响。
附图说明
图1是多波束相控阵天线增益和相位中心分析方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步地详细说明。
如图1所示，一种多波束相控阵天线增益和相位中心的分析方法，其包括以下步骤：
(1)获取频率f、阵列模式矩阵[S]、单元天线方向图矩阵[U]、波束数量K和每个波束对应的方位角θk、俯仰角
Figure BDA0003309721920000031
阵列架构文件具有输入要求，行数为天线单元数M，列数共11列，每列定义如下：
1～3分别为单元天线的x、y、z空间坐标xn、yn、zn；
4列：通道可用性rn，1代表可用，0代表不可用；
5列：通道相位失配度
Figure BDA0003309721920000032
单位为度；
6列：通道增益失配度ΔGn量纲；
7～9列：分别为单元天线的x、y、z空间坐标误差Δxn、Δyn、Δzn；
10列：单元天线法线方向的方位角；
11列：单元天线法线方向的俯仰角。
波长λ为
Figure BDA0003309721920000033
(2)获取单元天线的法线夹角与指定波束方向小于80°的单元天线数量，即参与辐射的天线数量N；
(3)计算指定波束方向上参与辐射的单元天线距等相位面的相位差ψn；
Figure BDA0003309721920000034
(4)获得自由空间每个方向上离散化的方位角、俯仰角；
(5)获得自由空间每个方向与参与辐射的单元天线法线方向的夹角，并根据此夹角读取单元天线方向图矩阵[U]的数据，获取参与辐射的天线单元在各个自由空间方向的电场强度
Figure BDA0003309721920000041
(6)根据相位差ψn和阵列模式矩阵中通道可用性、通道增益和相位失配度、空间坐标误差的情况，累加参与辐射的天线单元在自由空间各个方向的电场强度
Figure BDA0003309721920000042
得到天线阵列在自由空间各个方向的
Figure BDA0003309721920000043
Figure BDA0003309721920000044
(7)根据自由空间每个方向的电场强度
Figure BDA0003309721920000045
波束数量K、主要参与辐射的天线数量N，计算得到相控阵每个方向上的增益
Figure BDA0003309721920000046
Figure BDA0003309721920000047
(8)根据相位差ψn和阵列模式矩阵中通道相位失配度、空间坐标误差的情况，计算每一个主要参与辐射的天线的偏移坐标x’n、y’n、z’n：
Figure BDA0003309721920000048
(9)偏移坐标x’n’、y’n、z’n分别取平均值，获得阵列天线的相位中心：
Figure BDA0003309721920000049
(10)重复步骤(2)-(9)，获得其他波束方向的增益和相位中心。
总之，本发明能够对任意阵列进行多波束阵列综合，并形成增益方向图和相位中心分布图，用于对特定形式的阵列天线进行相位中心分布仿真，同时，通过特定的参数设置，实现阵列天线对阵元间距、阵列形式、随机阵元失效等随机和工程误差对阵列天线增益方向图和相位中心的影响。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多波束相控阵天线增益和相位中心的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取频率f、阵列模式矩阵[S]、单元天线方向图矩阵[U]、波束数量K和每个波束对应的方位角θk、俯仰角
Figure FDA0003309721910000011
(2)获取单元天线的法线夹角与指定波束方向小于80°的单元天线数量，即参与辐射的天线数量N；
(3)计算指定波束方向上参与辐射的单元天线距等相位面的相位差ψn；
(4)获得自由空间每个方向上离散化的方位角、俯仰角；
(5)获得自由空间每个方向与参与辐射的单元天线法线方向的夹角，并根据此夹角读取单元天线方向图矩阵[U]的数据，获取参与辐射的天线单元在各个自由空间方向的电场强度
Figure FDA0003309721910000012
(6)根据相位差ψn和阵列模式矩阵中通道可用性、通道增益和相位失配度、空间坐标误差的情况，累加参与辐射的天线单元在自由空间各个方向的电场强度
Figure FDA0003309721910000013
得到天线阵列在自由空间各个方向的电场强度
Figure FDA0003309721910000014
(7)根据自由空间每个方向的电场强度
Figure FDA0003309721910000015
波束数量K、参与辐射的天线数量N，计算得到相控阵每个方向上的增益
Figure FDA0003309721910000016
(8)根据相位差ψn和阵列模式矩阵中通道相位失配度、空间坐标误差的情况，计算每一个参与辐射的天线的偏移坐标x’n、y’n、z’n；
(9)对偏移坐标x’n’、y’n、z’n分别取平均值，获得阵列天线的相位中心；
(10)重复步骤(2)-(9)，获得其他波束方向的增益和相位中心。
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