CN114552237B - 二维相控阵天线设计方法、装置和二维相控阵天线 - Google Patents

二维相控阵天线设计方法、装置和二维相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种雷达技术领域的二维相控阵天线设计方法、装置和二维相控阵天线，方法包括获取天线数目N、波长和天线最小间距，根据天线数目N和波长构建有N*N等距格点的网格；根据每行每列仅有一个天线分布以及任意天线之间的距离不小于所述最小间距的约束条件，获取天线在等距格点的网格中的所有天线分布阵列；计算获取每个天线分布阵列的远场分布数据，根据所有远场分布数据计算出所有天线分布阵列对应的信噪比；根据信噪比参数在所有天线分布阵列中选择需要的天线分布阵列。实现使用较少的天线实现光栅旁瓣消除的二维相控阵的设计方案和二维相控阵天线排布结构。

Description

二维相控阵天线设计方法、装置和二维相控阵天线
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其是二维相控阵天线设计方法、装置和二维相控阵天线。
背景技术
二维相控阵由多个在二维平面上按一定规律排布的天线构成。二维相控阵可被用于定向发射信号，通过这些天线同时发射（或接收）具备一定相位关系且的电磁波，利用电磁波的干涉效应可以实现定向发射（或接收）信号。通过改变天线间的相位关系，还可以实现对一定角度范围内进行二维扫描，成为相控阵雷达。周期性排布的天线阵列凭借其易于实现、数据容易处理的优势被最早用于相控阵雷达。一般来说，周期性排布的天线阵列要求相邻天线之间间距小于信号载波的半波长，从而消除由于多级干涉导致的光栅旁瓣。然而在特定应用场景或技术条件下（如芯片级激光雷达），无法实现相邻天线之间间距小于信号载波的半波长，这使得光栅旁瓣的抑制成为相控阵雷达的关键技术问题。常用的解决方法是设计一维非周期天线排列在一个维度上抑制光栅旁瓣的强度，并将该设计复用到另一维度上，实现对二维远场的光栅旁瓣抑制。这种方法的弱点在于：
1. 需要天线数目过多。一般至少需要数百个天线才能将光栅旁瓣抑制比降低到10dB。
2. 发射（或接收）信号的效率远低于无光栅旁瓣雷达。非周期天线排列尽管可以有效抑制光栅旁瓣的强度，但是无法将光栅旁瓣的能量重新聚集到主瓣上。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种使用较少的天线实现光栅旁瓣消除的二维相控阵的设计方案和二维相控阵天线排布结构。
二维相控阵天线设计方法，包括如下步骤：
获取天线数目N、波长和天线最小间距，根据天线数目N和波长构建有N*N等距格点的网格；其中，任意天线之间的距离不小于所述最小间距；
根据每行每列仅有一个天线分布以及任意天线之间的距离不小于所述最小间距的约束条件，获取天线在等距格点的网格中的所有天线分布阵列；
计算获取每个天线分布阵列的远场分布数据，根据所有远场分布数据计算出所有天线分布阵列对应的信噪比；根据信噪比参数在所有天线分布阵列中选择需要的天线分布阵列。
所述根据所有远场分布数据计算出所有天线分布阵列对应的信噪比的方法包括：计算每组二维相控阵天线分布阵列的若干远场强度峰值，以最大远场强度峰值和第二大远场强度峰值比值作为信噪比的计算参数。
所述根据信噪比参数在所有天线分布阵列中选择需要的天线分布阵列的方法包括：计算出M种天线分布阵列的信噪比，取M个信噪中比值最大的天线分布阵列为所需二维相控阵天线。其中，横向和纵向的相邻天线中心点之间的距离小于等于半波长。
进一步的，任意一组天线分布阵列坐标为（ x j , y j ），参数 j取值为1~N，其远场分布 E( θ x ,  θ y )可用如下公式进行求解：
其中，本公式中i为虚数单位，k0是光在真空中的传播常数，k0=2π/λ。
进一步的，所述天线分布阵列的计算方法包括：获取天线数目、波长和天线最小间距，确定 （N-1）*（N-1）个边长小于等于半波长的网格；
确定第一个天线X坐标，依次以网格边长遍历所有网格点Y坐标；
根据第一个天线坐标，确定第 i个天线坐标， x i 取 i*d， y i 依次以网格边长遍历所有网格点Y坐标，取所有 s i,1 >Δs的 y i ， i=1……（N-1）d；
根据第 i个天线坐标，确定第 i+1个天线坐标， x i+1 选择 i*d， y i+1 依次以网格边长遍历所有网格点Y坐标，取所有满足 s i+1,1 >Δs、 s i+1,2 >Δs、…、 s i+1,i >Δs的 y i+1 。
基于上述方法，本发明还提供一种二维相控阵天线，包括以下结构：
含有天线数目为N；天线排布在N*N的网格的格点处，每行每列只有一个天线；格点间距相等，且格点间距小于等于半波长；任意天线之间的距离不小于天线最小间距；N个天线在N*N的网格的排布求得的远场分布的信噪比最大。
基于上述方法，本发明还提供一种二维相控阵天线设计装置，即可以实现输入天线数目、格点间距参数，即可以输出所有满足条件的二维相控阵天线，进一步可以直接输出最优解，即信噪比最大的一个二维相控阵天线。该装置包括：
输入单元，用于输入天线数目N；
输出单元，用于输出基于输入天线数目的指定二维相控阵或最优二维相控阵；
处理单元，用于1）计算N*N网格下的N个天线的所有二维相控阵；2）计算所有二维相控阵的远场分布，以及信噪比；3）筛选信噪比最大的二维相控阵；
其中，处理单元计算二维相控阵的约束条件为天线位于网格的格点，格点间距相等，且格点间距小于等于半波长，每行每列只有一个天线。
本发明的有益效果：
1.本发明公开一种二维天线排布方法，构造边长小于等于半波长的正方形格子组成的网格，以两个约束条件为基础，利用天线分布求解算法优化而成的天线排布方法，实现在两个维度上同时消除光栅旁瓣，并使得任意两个天线间距满足技术要求。
2.本发明公开了一种天线分布求解方法：根据约束条件，参考递归解法或迭代解法改编出一种优化求解方法，应用到天线分布的求解方法中，可以快速实现所有天线排布方案的求解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是二维相控阵天线设计方法的总流程图；
图2是N*N等距格点的网格的示意图；
图3是天线分布阵列示意图；
图4是远场分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开的示范性实施例做出说明，其中包括本公开实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本公开的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
实施例1：
本实施例公开一种二维相控阵天线设计方法，参考附图1，包括以下步骤：
获取天线数目N、波长和天线最小间距，根据天线数目N和波长构建有N*N等距格点的网格；其中，任意天线之间的距离不小于所述最小间距；
根据每行每列有且仅有一个天线分布以及任意天线之间的距离不小于所述最小间距的约束条件，获取天线在等距格点的网格中的所有天线分布阵列，记M种天线分布阵列；
计算获取每个天线分布阵列的远场分布数据，根据每一远场分布数据计算出每一天线分布阵列对应的信噪比；根据信噪比参数选择需要的天线分布阵列。
其中，信噪比的计算方法包括：计算每组二维相控阵的若干个远场强度峰值，以最大远场强度峰值和第二大远场强度峰值比值作为信噪比。
其中，解出M种天线分布的信噪比，依次记为SNR1，SNR2，……SNRM。取信噪比最大的天线分布阵列用于相控阵雷达设计，当然在其他可预想到的方案中，并不排除应实际需要选取其他信噪比参数的天线分布阵列。
具体的设计方法包括：确定相控阵所包含的天线数目N，构造如图3所示的格点数目为N*N个（为方便观察，图中为17个格点，16个方格，黑点是天线），每个格子的都是边长为d的正方形网格。d小于等于λ/2，λ是信号波长。
在该网格中的格点上放置N个天线，第i个天线与第j个天线之间的距离定义为 s ij ，第i个天线的坐标定义为（ x i , y i ），第j个天线的坐标定义为（ x j , y j ）。
天线在网格中的格点上放置条件包括：
1）每行每列只放置一个天线，即天线坐标（ x j , y j ）、（ x i , y i ）满足公式（1）
        （1）
2）通过雷达设计需求和天线类型给定天线之间的最小间距Δs，则两天线之间的距离不小于最小间距Δs， s ij 用公式（2）计算：
（2）
则，以天线放置条件1）和天线放置条件2）为计算约束条件，求解所有满足约束条件的天线分布阵列。设求解出M种天线分布阵列。
对求得的上述天线分布阵列进行远场分析，求解每一远场信噪比，则有M个信噪比值。
其中，远场分布的计算方法为：任意一组天线分布表示为各天线坐标（ x j , y j ），参数 j取值为1~N。其远场分布 E( θ x ,  θ y )可用公式（3）进行求解。
（3）
其中，本公式（3）中的i为虚数单位（通用词），k0是光在真空中的传播常数，k0=2π/λ。
则求解E( θ x ,  θ y )的极大值，将极大值从大到小排列依次记为 E 1， E 2……。其中 E 1是信号强度最强值，定义为主瓣；确定主瓣之后，则可知排序第二大的信号强度的 E 2代表噪声的最大强度，因此信噪比 SNR在本实施例中采用排序第一的远场信号和排序第二的远场信号作为计算信噪比的计算参数，可用公式（4）描述。
      （4）
则根据M种天线分布阵列，求解出M种天线分布的信噪比，依次记为 SNR 1， SNR 2，…… SNR M。最后，选择需要的天线分布阵列用于相控阵雷达设计，一般情况本领域人员会挑选出信噪比最大的天线分布用于相控阵雷达设计。
进一步的，本实施例还提供一种天线分布阵列的计算方法，具体步骤如下：
步骤1）获取天线数目、波长λ和天线最小间距Δs，根据天线数目N和天线最小间距确定网格，网格为N*N个格点的正方形网格，既可以理解为其包含（N-1）*（N-1）个边长为d的正方形组成的网格，其中本实施例中d的参数选取d=λ/2。在其他实施例中 d小于等于半波长；
步骤2）确定第1个天线的坐标位置，x坐标x1选择0，y坐标y1依次遍历0、d、2d、…、（N-1）*d，保存遍历的所有y1坐标，得到可能存在的所有（x1，y1）；
步骤3）在确定第1个天线的坐标（x1，y1）后，继续确定第2个天线的坐标（x2，y2）。x2选择d。y2依次遍历0、d、2d、…、（N-1）*d，找出所有满足s2,1>Δs的y2，并依次遍历，其中。s2,1为第2个天线与第1个天线之间的距离。
步骤4）在确定第1至i个天线的坐标（x1，y1）-（xi，yi）后，继续确定第i+1个天线的坐标。xi+1选择i*d。yi+1依次遍历0、d、2d、…、（N-1）*d，找出所有满足si+1,1>Δs、si+1,2>Δs…si+1,i>Δs的yi+1，并依次遍历。存储所有满足条件的坐标参数。
步骤5）依靠第2~4步，结合数学归纳法，得出所有满足要求的天线分布阵列。
根据以上方式，确定了天线数目为64个，天线间距最小间距Δs为5um，波长λ为1.55um，则可定义相邻格点的间距 d=0.775um，这里取了半波长，也可以设计为其他小于半波长的参数。利用天线分布求解算法最终可以求出1000多种天线分布，天线分布的x坐标为 x j =( j-1) d；
再分别对其进行远场分析（远场分布见图4所示），根据上述方法计算信噪比，最终可以计算出天线分布。实现在x和y两个方向上同时实现间距小于等于半波长，使得光栅旁瓣完全消除，进一步的优势使用较少天线数目就能实现光栅旁瓣的完全消除。
其中根据信噪比排序后，筛选出信噪比最大的天线分布阵列如下表1所示：
<![CDATA[y<sub>1</sub>]]> <![CDATA[y<sub>2</sub>]]> <![CDATA[y<sub>3</sub>]]> <![CDATA[y<sub>4</sub>]]> <![CDATA[y<sub>5</sub>]]> <![CDATA[y<sub>6</sub>]]> <![CDATA[y<sub>7</sub>]]> <![CDATA[y<sub>8</sub>]]>
10 41 18 49 26 57 34
<![CDATA[y<sub>9</sub>]]> <![CDATA[y<sub>10</sub>]]> <![CDATA[y<sub>11</sub>]]> <![CDATA[y<sub>12</sub>]]> <![CDATA[y<sub>13</sub>]]> <![CDATA[y<sub>14</sub>]]> <![CDATA[y<sub>15</sub>]]> <![CDATA[y<sub>16</sub>]]>
3 12 43 20 51 28 59 36
<![CDATA[y<sub>17</sub>]]> <![CDATA[y<sub>18</sub>]]> <![CDATA[y<sub>19</sub>]]> <![CDATA[y<sub>20</sub>]]> <![CDATA[y<sub>21</sub>]]> <![CDATA[y<sub>22</sub>]]> <![CDATA[y<sub>23</sub>]]> <![CDATA[y<sub>24</sub>]]>
5 14 45 22 53 30 61 38
<![CDATA[y<sub>25</sub>]]> <![CDATA[y<sub>26</sub>]]> <![CDATA[y<sub>27</sub>]]> <![CDATA[y<sub>28</sub>]]> <![CDATA[y<sub>29</sub>]]> <![CDATA[y<sub>30</sub>]]> <![CDATA[y<sub>31</sub>]]> <![CDATA[y<sub>32</sub>]]>
7 16 47 24 55 32 63 0
<![CDATA[y<sub>33</sub>]]> <![CDATA[y<sub>34</sub>]]> <![CDATA[y<sub>35</sub>]]> <![CDATA[y<sub>36</sub>]]> <![CDATA[y<sub>37</sub>]]> <![CDATA[y<sub>38</sub>]]> <![CDATA[y<sub>39</sub>]]> <![CDATA[y<sub>40</sub>]]>
9 40 17 48 25 56 33 2
<![CDATA[y<sub>41</sub>]]> <![CDATA[y<sub>42</sub>]]> <![CDATA[y<sub>43</sub>]]> <![CDATA[y<sub>44</sub>]]> <![CDATA[y<sub>45</sub>]]> <![CDATA[y<sub>46</sub>]]> <![CDATA[y<sub>47</sub>]]> <![CDATA[y<sub>48</sub>]]>
11 42 19 50 27 58 35 4
<![CDATA[y<sub>49</sub>]]> <![CDATA[y<sub>50</sub>]]> <![CDATA[y<sub>51</sub>]]> <![CDATA[y<sub>52</sub>]]> <![CDATA[y<sub>53</sub>]]> <![CDATA[y<sub>54</sub>]]> <![CDATA[y<sub>55</sub>]]> <![CDATA[y<sub>56</sub>]]>
13 44 21 52 29 60 37 6
<![CDATA[y<sub>57</sub>]]> <![CDATA[y<sub>58</sub>]]> <![CDATA[y<sub>59</sub>]]> <![CDATA[y<sub>60</sub>]]> <![CDATA[y<sub>61</sub>]]> <![CDATA[y<sub>62</sub>]]> <![CDATA[y<sub>63</sub>]]> <![CDATA[y<sub>64</sub>]]>
15 46 23 54 31 62 39 8
表1
实施例2：
基于上述方法，本发明还提供一种二维相控阵天线，包括以下结构：
含有天线数目为N；天线排布在N*N的网格的格点处，每行每列只有一个天线；格点间距相等，且格点间距小于等于半波长；任意天线之间的距离不小于天线最小间距；N个天线在N*N的网格的排布求得的远场分布的信噪比最大。本实施例披露的是一种基于实施例1的方法做计算出的最优二维相控阵天线，用于雷达设计。
实施例3：
基于实施例1披露的方法，还提供一种二维相控阵天线设计装置，即可以实现输入天线数目、格点间距参数，即可以输出所有满足条件的二维相控阵天线，进一步可以直接输出最优解，即信噪比最大的一个二维相控阵。
该装置包括：
输入单元，用于输入天线数目N；
输出单元，用于输出基于输入天线数目的指定二维相控阵或最优二维相控阵；
处理单元，用于1）计算N*N格点的网格下的N个天线的所有二维相控阵；2）计算所有二维相控阵的远场分布，以及信噪比；3）筛选信噪比最大的二维相控阵；
其中，处理单元计算二维相控阵的约束条件为天线位于网格的格点，格点间距相等，且格点间距小于等于半波长，每行每列只有一个天线。
其中，处理单元的主要功能是调用存储器中的程序和输入参数，执行实施例1所公开的流程，用以实现二维相控阵天线设计方法，输出指定二维相控阵或最优二维相控阵。
可以想到的一种方法，包括输入“输出限制参数”，处理器根据所述“输出限制参数”输出对应的二维相控阵。如“输出限制参数”输入为“信噪比最大”，则输出为最优二维相控阵。
其中还包括一种展示模组，用于展示输出的二维相控阵的远场分布和/或输出的二维相控阵的x，y的坐标数据。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。
所述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.二维相控阵天线设计方法，其特征在于，包括
获取天线数目N、波长和天线最小间距，根据天线数目N和波长构建有N*N等距格点的网格；其中，任意天线之间的距离不小于所述最小间距；
根据每行每列仅有一个天线分布以及任意天线之间的距离不小于所述最小间距的约束条件，获取天线在等距格点的网格中的所有天线分布阵列；相邻格点距离小于等于半波长；
计算获取每个天线分布阵列的远场分布数据，计算每组二维相控阵天线分布阵列的若干远场强度峰值，以最大远场强度峰值和第二大远场强度峰值比值作为信噪比的计算参数；取信噪中比值最大的天线分布阵列为所需二维相控阵天线。
2.根据权利要求1所述的二维相控阵天线设计方法，其特征在于，任意一组天线分布阵列坐标为（x j ,y j ），参数j取值为1~N，其远场分布E(θ x , θ y )可用如下公式进行求解：
其中，本公式中i为虚数单位，k0是光在真空中的传播常数，k0=2π/λ。
3.根据权利要求1所述的二维相控阵天线设计方法，其特征在于，所述天线分布阵列的计算方法包括：
获取天线数目、波长和天线最小间距，确定（N-1）*（N-1）个边长小于等于半波长的网格；
确定第一个天线X坐标，依次以网格边长遍历所有网格点Y坐标；
根据第一个天线坐标，确定第i个天线坐标，x i 取i*d，y i 依次以网格边长遍历所有网格点Y坐标，取所有s i,1 >Δs的y i ，i=1……（N-1）d；
根据第i个天线坐标，确定第i+1个天线坐标，x i+1 选择i*d，y i+1 依次以网格边长遍历所有网格点Y坐标，取所有满足s i+1,1 >Δs、s i+1,2 >Δs、…、s i+1,i >Δs的y i+1 。
4.二维相控阵天线，其特征在于，包括以下结构：
天线数目为N；
天线排布在N*N的网格的格点处，每行每列只有一个天线；
格点间距相等，且格点间距小于等于半波长；
任意天线之间的距离不小于天线最小间距；
所述二维相控阵天线的信噪比最大，其中，以最大远场强度峰值和第二大远场强度峰值比值作为信噪比。
5.二维相控阵天线设计装置，其特征在于，包括：
输入单元，用于输入天线数目N；
输出单元，用于输出基于输入天线数目的指定二维相控阵或最优二维相控阵；
处理单元，用于1）计算N*N格点的网格下的N个天线的所有二维相控阵；2）计算所有二维相控阵的远场分布，以及信噪比；3）筛选信噪比最大的二维相控阵；
其中，处理单元计算二维相控阵的约束条件为天线位于网格的格点，格点间距相等，且格点间距小于等于半波长，每行每列只有一个天线；
其中，以最大远场强度峰值和第二大远场强度峰值比值作为信噪比。
6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器调用执行时实现如权利要求1～3中任一项所述的二维相控阵天线设计方法。
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