CN114510879A - 一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法，涉及阵列天线领域，给出了适用于任意间隔直线阵列的端射增强实现方法，进一步提高了端射线阵的方向性系数。本发明包括推广适用于均匀间隔直线阵列的端射阵条件；引入适用于任意间隔直线阵列的相位常数修正因子；对均匀振幅激励下的直线阵列进行方向性系数扫描，得到方向性系数最大时对应的相位常数修正因子，实现任意间隔线阵端射增强的相位配置；对比普通端射阵与增强型端射阵的方向图与性能参数。本发明将适用于均匀间隔直线阵的汉森伍德亚德条件进行推广，通过引入相位因子修正常数，实现任意间隔直线阵列的端射增强，优化后阵列激励敏感度低，配相方法适用范围广。

Description

一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法

技术领域

本发明涉及阵列天线，尤其是涉及一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法。

背景技术

随着无线电技术的发展，天线或天线阵列作为无线通信系统的信号发射/接受终端已经逐渐融入现代国防以及人们日常生活的方方面面。采用阵列天线的原因，包括其容易实现极窄波束，提高天线方向性和增益，易于实现赋形波束和低副瓣电平的方向图。阵列天线的分析是从阵元总数，阵元空间分布，各阵元的激励幅度分布和阵元的激励相位分布四方面展开的。而阵列天线的综合或设计，则是通过给定预期的辐射特性及要求，通过改变上面四方面参数，从而实现满足预期或最优的设计参数。在阵列天线中，直线阵列作为平面阵列乃至共形阵列的基础，其性能指标也影响了空间天线阵列的参数，直线阵列通常由最大辐射方向分为侧射阵，端射阵和相控阵，在相同阵元数目的条件下，端射阵列通过聚焦主瓣宽度，从而实现比侧射阵更高的方向性系数，相同排布方式下端射阵列方向性系数为侧射阵列的2倍，所以，研究任意间隔直线阵列端射情况下的综合方法意义重大。

早在1938年，汉森和伍德亚德就提出了针对均匀直线阵列的增强型端射阵列实现方法，即在普通端射阵列的均匀递变相位的基础上再附加一个均匀递变的滞后相位，可以进一步通过减小主瓣宽度，从而提高端射阵列的方向性系数，这种条件称为汉森伍德亚德条件，经过推导汉森伍德亚德条件下的增强型端射阵方向性系数可以达到普通端射阵的1.8倍，这在实际应用中有着重要意义，但汉森伍德亚德条件仅适用于均匀间隔直线阵列，且随着阵元间距的增加，栅瓣的出现，该条件也就不再适用。在1955年，泰勒提出了窄波束低副瓣线源天线的设计方法，提出了一种综合考虑波束宽度与副瓣电平的设计方法，通过减小主瓣宽度，同时约束副瓣电平，实现方向性系数的优化，但其仍然只适用于均匀间隔直线阵列，且方向性系数优化效率较低。

在CN201710804683.X中，介绍了一种基于改进粒子群算法的星形立体传声器阵列优化方法，在传统粒子群算法的基础上提出了改进自适应粒子群算法(IAPSO)，并与线性递减惯性权重的粒子群算法(LDWPSO)和带收缩因子的粒子群算法(CPSO进行)比较。但该方法计算量大，不适用于任意间隔排布的直线阵列端射增强应用。

在CN202110225419.7中，介绍了一种基于遗传和量子粒子群算法的分布式阵列优化方法，通过确定待优化的分布式阵列，得到待优化分布式阵列的子阵初始相位中心的矩阵阵列，并将其转化为个体向量，得到新生代个体，搜索得到最优个体和最优适应值。但该方法用于任意间隔均匀振幅激励直线阵列时，无法得到优于汉森伍德亚德条件的端射相位配置。

在实际天线阵列研究中，为了进一步提高直线阵列，矩形栅格平面阵列，共形阵列的方向性系数，需要提出适用于任意间隔直线阵列端射增强的相位配置实现方法。有鉴于此，本发明提出了一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法，进一步提高任意间隔直线阵列的方向性系数。

发明内容

为了解决上述背景技术面临的技术问题：任意间隔直线阵列普通端射方向性系数较低，无法应用汉森伍德亚德条件实现增强型端射阵，本发明提供了一种任意间隔离散增强型端射直线阵的相位配置方法，即通过引入相位常数修正因子，对一般任意间隔直线阵列实施例计算，进一步提高任意间隔直线阵列方向性系数。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1.模型确定

确定阵元数目N、波长、工作频点、阵元天线结构、阵元的位置分布Z_n，选用理想点源天线作为天线单元。

步骤2.相位配置

对于任意间隔直线阵列，在球坐标系下具有对称性，其阵因子方向图函数F(θ)表示为：

引入阵元相位：α_n＝β(1+δ)Z_n，其中N为阵元数目，β为相位传播常数，δ为引入的传播常数修正因子，Z_n为阵元位置，I_n为阵元幅度，θ为球坐标系下方位角，设置阵列为均匀振幅激励，即I_n＝1；方向图函数F(θ)表示为：

方向性系数表达式为：

其中θ₀为最大辐射方向夹角，对于端射线阵θ₀＝0。对于任意间隔直线阵列，在球坐标系下具有对称性，其阵因子方向图函数F(θ)表示为

本方法提出一种均匀振幅激励下的超方向性线阵相位配置方案，引入的阵元相位为α_n＝β(1+δ)Z_n，其中β为相位传播常数，δ为本方法引入的传播常数修正因子，I_n为阵元幅度，设置阵列为均匀振幅激励，即I_n＝1。方向性系数表达式为

步骤3.参数扫描

对于上述相位配置，设置相位传播常数修正因子δ在0＜δ＜0.5范围内扫描，该端射阵天线取得最大方向性系数D时对应传播常数修正因子即为最佳修正因子。

对于均匀间隔直线阵列，由于激励为等幅激励，经过理论推导可以得到，相位传播常数修正因子取

时，该端射阵天线具有最大的方向性系数。在此最佳修正因子下，均匀直线阵列增强型端射阵方向性系数与普通端射阵方向性系数比值为

在均匀间隔直线排布下的阵列同样可以采用汉森伍德亚德条件进行相位优化，该条件下理论推导后相位常数为

时，该端射阵天线具有最大的方向性系数。在相同阵元数目，相同排布条件下，汉森伍德亚德条件和本方法端射增强的相位配置条件求出最优相位激励及其最大方向性系数相同。

对于均匀直线阵列给出的最佳修正因子解析解

在不断增大单元间距的过程中会在可见区出现栅瓣，为了保证后瓣小于主瓣，满足端射条件，相位激励应满足

a_n＝(1+δ)kd_n＜π，对于引入传播常数修正因子的增强型端射均匀直线阵列，阵元间距应满足

此时增强型端射阵列不会产生栅瓣。

对于任意间隔离散直线阵列做相位修正因子扫描，在扫描范围的正区间内从0开始先后取得两个极值点，其物理意义分别为最大方向性系数对应最优修正因子值、相位修正因子端射条件临界值。

步骤4.有效性与适用性验证

为了验证此方法的有效性，分析普通端射阵方向图与增强型端射阵方向图，通过主瓣宽度与旁瓣电平的变化，得到方向性系数变化的定性规律。

为了验证此方法的适用性，选取一般任意间隔直线阵列实施例进行计算，可以得到不同模型下的优化效果，通过对比不同模型下的计算结果，得到此方法的适用性结论。

本发明的有益效果在于：

1.本方法提出了任意间隔增强型端射直线阵列的一种综合实现方法，相较于已有端射增强的相位配置方法，该方法对任意间隔直线阵列具有高效性与普遍适用性。

2.相较于已有的其他超方向性算法，本方法选取均匀振幅激励阵元，降低实际应用中阵列天线激励配置的敏感度，减小精度要求与加工难度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为任意间隔直线阵列端射增强的相位配置流程图。

图2为六元等比间隔线阵实施例相位修正因子扫描示意图。

图3为六元等比间隔线阵实施例普通端射阵与增强型端射阵列方向图示意图。

图4为六元等比间隔线阵实施例普通端射阵与增强型端射阵列XOZ剖面图示意图。

图5为六元等差间隔线阵实施例相位修正因子扫描示意图。

图6为六元等差间隔线阵实施例普通端射阵与增强型端射阵列方向图示意图。

图7为六元等差间隔线阵实施例普通端射阵与增强型端射阵列XOZ剖面图示意图。

图8为六元稀布直线阵列阵元位置示意图。

图9为六元稀布直线阵列实施例相位修正因子扫描示意图。

图10为六元稀布直线阵实施例普通端射阵与增强型端射阵列方向图示意图。

图11为六元稀布直线阵实施例普通端射阵与增强型端射阵列XOZ剖面图示意图。

具体实施方法

下面结合附图及实例对本发明进行详细的描述

一种任意间隔离直线阵列端射增强的相位配置方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1.模型确定

确定阵元数目N、波长、工作频点、阵元天线结构、阵元的位置分布Z_n，其中n＝0,1…N-1。

步骤2.相位配置

对于任意间隔直线阵列，在球坐标系下具有对称性，其阵因子方向图函数F(θ)表示为

本方法引入的阵元相位配置为α_n＝β(1+δ)Z_n，其中β为相位传播常数，δ为本方法引入的传播常数修正因子，I_n为阵元幅度，设置为等幅激励，即I_n＝1。方向性系数表达式为

步骤3.参数扫描

对于上述相位配置设置相位传播常数修正因子δ在0＜δ＜0.5范围内扫描，该端射阵天线取得最大方向性系数D时对应传播常数修正因子即为最佳修正因子。

对于任意间隔离散直线阵列做相位修正因子扫描，在扫描范围的正区间内从0开始先后取得两个极值点，其物理意义分别为最大方向性系数对应最优修正因子值；相位修正因子端射阵条件临界值。

步骤4.有效性与适用性验证

为了验证此方法的有效性，分析普通端射阵方向图与增强型端射阵方向图，通过主瓣宽度与旁瓣电平的变化，得到方向性系数变化的定性规律。

为了验证此方法的适用性，选取一般不等间隔直线阵列进行计算，可以得到不同模型下的优化效果，通过对比不同模型下的计算结果，得到此方法的适用性结论。

下面给出了两种直线阵列模型实施例：

参考图1，任意间隔直线阵列端射增强的相位配置流程图，设计下面两个实施例。

实施例A.6元等比间隔直线阵列

阵元排布满足

间隔

阵元的幅度激励为I_n＝1，相位激励为α_n＝β(1+δ)Z_n，其中间距公比k＝1.1，设置空间角扫描步长为1°。请参见图2，六元等比间隔线阵实施例相位修正因子扫描示意图，修正因子在0＜δ＜0.5范围内扫描，设置修正因子扫描步长为0.01，对于理想全向辐射阵元，在修正因子扫描范围的正区间内从0开始先后取得两个极值点，其物理意义分别为最大方向性系数对应最优修正因子值；相位修正因子端射阵条件临界值。

修正因子取值为0.22时，达到最大方向性系数时，此时对应增强型端射阵列方向性系数为11.02，同时6元等比间距普通端射阵列方向性系数为6.9723，增大1.58倍。修正因子取值为0.42时，此时直线阵列方向图出现较大栅瓣，不满足端射与栅瓣条件，为此端射阵列的修正因子临界值。

参考图3，六元等比间隔线阵实施例普通端射阵与增强型端射阵列方向图示意图，对于等比间距直线阵列，通过引入最优相位激励修正因子后的增强型端射阵列聚焦主瓣宽度，以牺牲副瓣与后瓣电平约束的代价，换取更大的方向性系数。参考图4，普通端射阵与增强型端射阵列XOZ剖面图示意图，可以更加明显区分二者方向性轮廓差异。综合上述计算结果，在本实施例中，本方法有效性得到验证。

实施例B.6元等差间隔直线阵列

阵元排布满足Z_n＝nd₀+(n-1)k，n＝0，1…5，间隔

阵元的幅度激励为I_n＝1，相位激励为α_n＝β(1+δ)Z_n，其中间距公差k＝0.5，设置空间角扫描步长为1°。请参见图5，六元等差间隔线阵实施例相位修正因子扫描示意图，修正因子在0＜δ＜0.5范围内扫描，设置修正因子扫描步长为0.01，对于理想全向辐射阵元，在修正因子扫描范围的正区间内从0开始先后取得两个极值点，其物理意义分别为最大方向性系数对应最优修正因子值；相位修正因子端射阵条件临界值。

修正因子取值为0.16时，达到最大方向性系数时，此时对应增强型端射阵列方向性系数为10.9571，同时6元等差间距普通端射阵列方向性系数为7.6211，增大1.44倍。修正因子取值为0.34时，此时直线阵列方向图出现较大栅瓣，不满足端射与栅瓣条件，为此端射阵列的修正因子临界值。

参考图6，六元等差间隔线阵实施例普通端射阵与增强型端射阵列方向图示意图，对于等差间距直线阵列，通过引入最优相位激励修正因子后的增强型端射阵列聚焦主瓣宽度，以牺牲副瓣与后瓣电平约束的代价，换取更大的方向性系数。参考图7，普通端射阵与增强型端射阵列XOZ剖面图示意图，可以更加明显区分二者方向性轮廓差异。综合上述计算结果，在本实施例中，本方法有效性得到验证。

实施例C.6元稀布直线阵列

设计6元稀布直线阵列，使其满足阵元间距大于半波长，可见区内消除栅瓣。参考图8，六元稀布直线阵列阵元位置示意图，阵元位置为Z_n＝[0；0.831λ；1.331λ；1.910λ；2.563λ；3.5λ]，阵元的幅度激励为I_n＝1，相位激励为α_n＝β(1+δ)Z_n，设置空间角扫描步长为1°。

参考图9，六元稀布直线阵列实施例相位修正因子扫描示意图，修正因子在0<δ<0.3范围内扫描，设置修正因子扫描步长为0.01。修正因子取值为0.06时，达到最大方向性系数时，此时对应增强型端射阵列方向性系数为18.1475，同时6元稀布直线阵列普通端射方向性系数为14.1286，增大1.28倍。

参考图10，六元稀布直线阵实施例普通端射与增强型端射方向图示意图，对于六元稀布直线阵列，通过引入最优相位激励修正因子后的增强型端射阵列聚焦主瓣宽度，以牺牲副瓣与后瓣电平约束的代价，换取更大的方向性系数。参考图11，普通端射阵与增强型端射阵列XOZ剖面图示意图，可以更加明显区分二者方向性轮廓差异。综合上述计算结果，在本实施例中，本方法有效性得到验证。

下表给出了A,B,C三个实施例的参数对比。

定义增益G为增强型端射阵列相关参数与普通端射阵列相关参数之比。

表 实施例A,B，C参数对比

通过实施例A,B,C参数对比表，可以得出结论，本方法对不同间隔直线阵列的优化效果略有差异，但仍具有高效性与普遍适用性两大优势。在实施例C中，先通过遗传算法优化，确定阵列间距，再使用相位常数修正因子，实现了大于半波长间距的阵列超方向性优化。对比阵列天线领域已有的其他超方向性优化方法，本方法对均匀振幅激励阵元进行优化，降低了实际应用中的激励配置敏感度，降低了加工难度与精度要求。

以上内容是结合具体的优选实施方法对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或演替，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1.确定阵元数目、波长、工作频点、阵元天线结构、阵元的位置分布；

步骤2.进行阵元的相位配置，引入适用于任意间隔直线阵列的相位常数修正因子；

步骤3.对均匀振幅激励下的直线阵列进行方向性系数扫描，得到方向性系数最大时对应的相位常数修正因子，实现任意间隔线阵端射增强的相位配置；

步骤4.对比普通端射阵列相位配置下与端射增强相位配置下的方向性系数，得到增强型端射阵列的相位配置参数结论。

2.根据权利要求1中所述的一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法，其特征在于，步骤2中包括如下分析：

对于任意间隔直线阵列，在球坐标系下具有对称性，其阵因子方向图函数F(θ)表示为：

引入阵元相位：α_n＝β(1+δ)Z_n，其中N为阵元数目，β为相位传播常数，δ为引入的传播常数修正因子，Z_n为阵元位置，I_n为阵元幅度，θ为球坐标系下方位角，设置阵列为均匀振幅激励，即I_n＝1；方向图函数F(θ)表示为：

方向性系数表达式为：

其中θ₀为最大辐射方向夹角，对于端射线阵θ₀＝0；设置相位传播常数修正因子δ在0<δ<0.5范围内扫描，端射阵天线取得最大方向性系数D时对应传播常数修正因子即为最佳相位常数修正因子。

3.根据权利要求1中所述的一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法，其特征在于，步骤3中包括如下分析：

对于引入相位常数修正因子的任意间隔直线阵列做方向性系数扫描，在扫描范围的正区间内从0开始先后取得两个极值点，其物理意义分别为最大方向性系数对应最优修正因子值、相位修正因子端射临界值。

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