CN114665264A - 一种阵列天线辐射副瓣降低方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天线辐射副瓣降低方法，该方法包括以下步骤：获取阵列天线的单元阵列天线结构、馈电点数和工作频率，录入电磁仿真软件中；通过仿真软件确定阵列天线同幅等相激励时的主瓣波束宽度；对阵列天线进行全波仿真，获取该辐射方向的每一个阵列单元远场辐射区的主瓣中心点以及偏离主瓣中心点一定度数点处的电场与磁场的幅度与相位；通过增大阵列天线的主瓣方向上的辐射功率分布以产生降低副瓣的效果，并求得此功率分布下辐射效率达到最大时的激励分布，获得阵列低副瓣性能的激励分布。本发明通过将降低天线阵列副瓣问题转化为增加主瓣辐射方向功率占比的问题，使主瓣方向辐射能量增加，进而达到减小副瓣的效果。

Description

一种阵列天线辐射副瓣降低方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，具体而言涉及一种阵列天线辐射副瓣降低方法。

背景技术

传统的基于幅度加权法减小副瓣的解析法(切比雪夫综合法，泰勒综合法，二项式法)仅适用于等距排列以及的正向辐射的天线阵列，不具有更高的通用性与快捷性，局限于幅度调节，目前缺少一款具有更高的通用性与便捷性，不局限于天线排布方式的降低阵列天线幅瓣的方法。本发明利用最大传输效率法，通过增大主瓣边缘处的辐射功率，使更大的功率集中在主瓣方向辐射，达到减小阵列副瓣的效果。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种具有更高的通用性与便捷性，不局限于天线的形式、排列方式与辐射模式，具有更高的自由度与通用性的降低阵列天线副瓣的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明实施例提出了一种阵列天线辐射副瓣降低方法，所述降低方法包括以下步骤：

S1，获取阵列天线的单元阵列天线排布结构、馈电点数n和工作频率f₀；

S2，通过仿真软件添加频率f₀处的场监视器，获取阵列天线频率f₀初始辐射方向图(未降低副瓣前)的不同平面主瓣波束宽度θ_i；

S3，对阵列天线进行全波仿真，获取每一个阵列单元的远场主瓣中心点O处与偏离主瓣中心点k_i度的点P_i处的电场与磁场的幅度与相位；

S4，赋予点O与点P_i权重函数W_p(r)，结合天线阵列单元的辐射特性，由最大功率传输效率法理论求出此功率分布情况下达到最大辐射效率时的激励分布，以增大主瓣方向辐射能量。

进一步地，在步骤S2中，如果阵列天线为一维阵列天线结构，则获取f₀辐射方向图的E面主瓣波束宽度θ₁；反之，如阵列天线为非一维的阵列天线，则获取f₀辐射方向图的E面，H面以及与E面和H面分别呈45°夹角的两个平面四个主瓣波束宽度θ₁-θ₄。

进一步地，步骤S3中，如阵列天线为一维阵列天线结构，则获取主瓣中心点O与E面上偏离主瓣中心点k度两个平面端点P₁与P₂的值，如果阵列天线为非一维的阵列天线，则获取主瓣中心点O、E面、H面以及与E面和H面分别呈45°夹角平面,共计4个平面上的偏离主瓣中心点k度8个平面端点P₁-P₈的值。

进一步地，步骤S4中，由最大功率传输效率法理论求出此功率分布情况下阵列天线达到最大辐射效率时的激励分布的过程包括以下子步骤：

S41，对于由m个天线单元组成的阵列天线，通过指定阵列天线辐射的的电磁功率分布，指定区域电磁功率可利用坡印廷矢量对指定区域进行面积积分得到，整个天线阵列的传输效率PTE表示为：

其中S_p为积分区域；E(r)表示各天线单元被激励时在远场区辐射的电场矩阵向量；

表示被天线激励时远场区辐射的磁场矩阵向量的共轭转置；P_in为输入功率；W_p(r)为权重参数，用于调节特定方向辐射功率的权重函数；u_n为指定方向的方向向量；若阵列单元均匹配，利用瑞丽商表达式对式(1)进行化简为：

其中，

[a_t]为阵列激励分布，[A_p]是m行m列中的其中一个矩阵，具体计算公式为：

S42，加入等比例权重函数W_p(r)，结合仿真数据，结合公式(3),(4)计算获得矩阵[A]；

S43，求出矩阵[A]最大特征值，将矩阵[A]最大特征值对应的特征向量作为此功率分布下最佳的激励分布。

进一步地，所述降低方还包括：

在天线性能允许范围内，通过改变k_i或W_p(r)的取值以调整主瓣波束宽度；随着k_i值或端点P_i处权重增大，主瓣波束宽度变宽，副瓣变小，反之亦然。

进一步地，所述k_i的取值为：k_i＝0.375θ_i。

本发明的有益效果是：

本发明提出的降低阵列天线辐射副瓣的设计方法，是将减小天线阵列副瓣问题转化为增加指定主瓣辐射方向功率占比的问题，基于天线阵列单元的辐射特性由最大功率传输理论求出此分布情况下达到最大传输效率时的激励分布，使主瓣方向辐射能量增加，进而达到减小副瓣的效果。

附图说明

图1是本发明实施例的降低阵列天线辐射副瓣的设计方法结构示意图。

图2是本发明实施例的电磁功率的阵列天线的结构示意图。

图3为本发明实施例的电磁场幅度相位点的示意图。

图4为本发明实施例的天线结果的示意图。

图5为本发明实施例的同幅等相激励下E面辐射方向的示意图。

图6为本发明实施例的低副瓣激励分布与同幅等相激励分布E面辐射对比结构示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

图1是本发明实施例的降低阵列天线辐射副瓣的设计方法结构示意图。图2是本发明实施例的电磁功率的阵列天线的结构示意图。图3为本发明实施例的电磁场幅度相位点的示意图。图4为本发明实施例的天线结果的示意图。本实施例提出了一种阵列天线辐射副瓣降低方法，该降低方法包括以下步骤：

S1，获取阵列天线的单元阵列天线排布结构、馈电点数n和工作频率f₀。

S2，通过仿真软件添加频率f₀处的场监视器，获取阵列天线频率f₀初始辐射方向图(未降低副瓣前)的不同平面主瓣波束宽度θ_i。

S3，对阵列天线进行全波仿真，获取每一个阵列单元的远场主瓣中心点O处与偏离主瓣中心点k_i度的点P_i处的电场与磁场的幅度与相位。

S4，赋予点O与点P_i权重函数W_p(r)，结合天线阵列单元的辐射特性，由最大功率传输效率法理论求出此功率分布情况下达到最大辐射效率时的激励分布，以增大主瓣方向辐射能量。

一、获取天线阵列相关数据

获取阵列天线的单元阵列天线结构、馈电点数和工作频率，录入电磁仿真软件中。

例如，本实例提供了一种降低阵列天线副瓣的方法，提供一款七单元阵列天线结构如图4所示，该阵列的天线单元如图3(a)所示，谐振频率为5.31GHz，为验证本发明提供的方法可适用于非等间距阵列，故该七元阵列为非等间距阵。上述结构具体的尺寸为：(x＝16.8mm,y＝12.7mm,s＝7.02mm,subw＝40mm,subl＝255mm,s1＝30mm,h＝0.8mm,s2＝35mm,s3＝40mm)，基板采用F4B材料(介电常数为2.55，损耗角正切为0.0027)。

二、确定主瓣波束宽度

根据步骤S1中采集到的天线结构、馈电点数和工作频率通过仿真软件计算预处理的阵列天线的电磁功率。

添加该电磁功率处的远场监视器，输入同幅等相的激励分布，获取该电磁功率处辐射方向图的主瓣波束宽度θ。

例如，本实施例中将阵列天线在CST电磁仿真软件中建模并添加5.31GHz的远场监视器，添加同幅等相激励进行仿真得到E面方向图如图4所示，获得主瓣宽度为θ＝28°。

三、全波仿真

对阵列天线进行全波仿真，获取辐射方向的每一个阵列单元的主瓣中心点O处与距离点O度数为k＝0.375的，主瓣波束宽度中平面端点P_i处的电磁幅度与相位。

优选的，当阵列天线为一维阵列天线结构，则需获取主瓣一维方向上(YOZ面)两个端点值，若阵列天线为二维的阵列天线，则需获取正交两个方向上(XOZ与YOZ面)的四个端点值。

例如，将阵列天线进行全波仿真，由于阵列为一维阵，故只需获得E面主瓣中心点处与距离主瓣中心点处k＝0.375θ＝±10.5°处的电场的幅度与相位(磁场幅度＝电场幅度/377，磁场与电场同相)如表1所示。

表1

四、获得阵列低副瓣性能的激励分布

步骤S4中，由最大功率传输理论求出此功率分布情况下达到最大传输效率时的激励分布的过程包括以下子步骤：

S41，对于由m个天线单元组成的阵列天线，通过指定阵列天线辐射的的电磁功率分布，指定区域电磁功率可利用坡印廷矢量对指定区域进行面积积分得到，整个天线阵列的传输效率PTE表示为：

其中S_p为积分区域；E(r)表示各天线单元被激励时在远场区辐射的电场矩阵向量；

表示被天线激励时远场区辐射的磁场矩阵向量的共轭转置；P_in为输入功率；W_p(r)为权重参数，用于调节特定方向辐射功率的权重函数；u_n为指定方向的方向向量；若阵列单元均匹配，利用瑞丽商表达式对式(1)进行化简为：

其中，

[a_t]为阵列激励分布，[A_p]是m行m列中的其中一个矩阵，具体计算公式为：

S42，加入等比例权重函数W_p(r)，结合仿真数据，结合公式(3),(4)计算获得矩阵[A]。

S43，求出矩阵[A]最大特征值，将矩阵[A]最大特征值对应的特征向量作为此功率分布下最佳的激励分布。

优选的，在天线性能允许范围内，通过改变k或W_p(r)的取值以调整主瓣波束宽度，随着k值或端点P_i处权重增大，主瓣波束宽度会变宽，副瓣变小，反之亦然。

其中，k＝0.375θ。

例如，赋予三点辐射功率等比权重Wp(r)＝1：1：1，由公式得到矩阵[A]，求得[A]最大特征值对应的特征向量，归一化为天线阵列各端口的激励分布如表2所示，将激励馈入阵列验证，结果如图5所示，与同幅等相激励相比，副瓣明显降低，符合本发明的效果预期。

表2

端口	激励
		1	0.13∠-13
2	0.34∠-6
		3	0.48∠-3
4	0.50∠0
		5	0.48∠0
6	0.35∠1
		7	0.14∠3

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种阵列天线辐射副瓣降低方法，其特征在于，所述降低方法包括以下步骤：

S1，获取阵列天线的单元阵列天线排布结构、馈电点数n和工作频率f₀；

S2，通过仿真软件添加频率f₀处的场监视器，获取阵列天线频率f₀初始辐射方向图(未降低副瓣前)的不同平面主瓣波束宽度θ_i；

S3，对阵列天线进行全波仿真，获取每一个阵列单元的远场主瓣中心点O处与偏离主瓣中心点k_i度的点P_i处的电场与磁场的幅度与相位；

S4，赋予点O与点P_i权重函数W_p(r)，结合天线阵列单元的辐射特性，由最大功率传输效率法理论求出此功率分布情况下达到最大辐射效率时的激励分布，以增大主瓣方向辐射能量。

2.根据权利要求1所述的阵列天线辐射副瓣降低方法，其特征在于，步骤S2中，如果阵列天线为一维阵列天线结构，则获取f₀辐射方向图的E面主瓣波束宽度θ₁；反之，如阵列天线为非一维的阵列天线，则获取f₀辐射方向图的E面，H面以及与E面和H面分别呈45°夹角的两个平面四个主瓣波束宽度θ₁-θ₄。

3.根据权利要求1所述的阵列天线辐射副瓣降低方法，其特征在于，步骤S3中，如阵列天线为一维阵列天线结构，则获取主瓣中心点O与E面上偏离主瓣中心点k度两个平面端点P₁与P₂的值，如果阵列天线为非一维的阵列天线，则获取主瓣中心点O、E面、H面以及与E面和H面分别呈45°夹角平面,共计4个平面上的偏离主瓣中心点k度8个平面端点P₁-P₈的值。

4.根据权利要求1所述的阵列天线辐射副瓣降低方法，其特征在于，步骤S4中，由最大功率传输效率法理论求出此功率分布情况下阵列天线达到最大辐射效率时的激励分布的过程包括以下子步骤：

S41，对于由m个天线单元组成的阵列天线，通过指定阵列天线辐射的的电磁功率分布，指定区域电磁功率可利用坡印廷矢量对指定区域进行面积积分得到，整个天线阵列的传输效率PTE表示为：

其中S_p为积分区域；E(r)表示各天线单元被激励时在远场区辐射的电场矩阵向量；

表示被天线激励时远场区辐射的磁场矩阵向量的共轭转置；P_in为输入功率；W_p(r)为权重参数，用于调节特定方向辐射功率的权重函数；u_n为指定方向的方向向量；若阵列单元均匹配，利用瑞丽商表达式对式(1)进行化简为：

其中，

[a_t]为阵列激励分布，[A_p]是m行m列中的其中一个矩阵，具体计算公式为：

S42，加入等比例权重函数W_p(r)，结合仿真数据，结合公式(3),(4)计算获得矩阵[A]；

S43，求出矩阵[A]最大特征值，将矩阵[A]最大特征值对应的特征向量作为此功率分布下最佳的激励分布。

5.根据权利要求3所述的阵列天线辐射副瓣降低方法，其特征在于，所述降低方还包括：

在天线性能允许范围内，通过改变k_i或W_p(r)的取值以调整主瓣波束宽度；随着k_i值或端点P_i处权重增大，主瓣波束宽度变宽，副瓣变小，反之亦然。

6.根据权利要求3所述的阵列天线辐射副瓣降低方法，其特征在于，所述k_i的取值为：k_i＝0.375θ_i。

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