CN114814386B - 一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法，属于时域阵列天线技术领域。本发明通过延时激励实现阵列天线同相波前和主轴偏转，基于小型阵列天线单个阵元的时域方向图数据，并从阵元辐射场延时空间合成的角度实现对瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描后时域方向图和波束宽度快速获取，从而实现瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描。本发明相较于数值计算方法避免了对大尺寸大规模阵列天线计算的复杂建模过程和庞大的数据处理过程，通过调节各阵元的激励延时实现波束的电子扫描，相较于基于伺服系统的机械扫描方式更加地智能化和自动化。

Description

一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法

技术领域

本发明属于时域阵列天线领域，尤其涉及到一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法。

背景技术

在瞬态电磁脉冲辐射技术研究中，由于单个辐射天线的辐射场相对固定，而采用阵列天线空间合成的方式可以在目标区域内实现更高的电场强度，因此阵列化是一个重要发展方向。但随着阵元数量增加，阵列口面尺寸增大，合成波束将变窄，难以实现较大范围的覆盖。波束拓展虽然可以解决上述问题，但拓展后波束覆盖范围内的场强降低明显，这时可通过波束扫描的方式实现对目标区域的分段覆盖。瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描根据实现方式不同可分为机械式扫描和电子扫描，其中机械式扫描依托伺服系统的水平、俯仰角度调节实现，而电子扫描可通过调节激励延时改变阵列波前实现阵列主轴的偏转。通过在对存在激励延时的瞬态电磁脉冲阵列天线进行波束扫描设计与分析时，需要计算阵列天线的时域方向图、扫描角度及波束宽度。目前常用的计算阵列天线的时域方向图及波束宽度的方法主要是数值计算法，但该方法存在建模复杂、计算量过大、计算周期长、硬件资源要求高等问题，而且多个不同偏转角度下阵列时域方向图的计算会带来数据量的倍增，所以瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图快速计算方法具有研究价值。

因此，需要一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法，对延时激励的不同规模瞬态电磁脉冲阵列天线，在不依赖数值计算的情况下，能够快速获得波束偏转后的时域方向图和波束宽度，从而辅助阵列天线的搭建和波束扫描设计。

发明内容

本发明的目的是提出一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法，解决较大规模的瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描采用电子扫描方式时，以数值计算方法获取扫描后时域方向图难度大，影响波束扫描计算效率和大型阵列天线波束扫描设计的技术问题。

为达到上述目的，解决上述技术问题，本发明通过延时激励实现阵列天线同相波前和主轴偏转，基于小型阵列天线单个阵元的时域方向图数据，并从阵元辐射场延时空间合成的角度实现对瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描后时域方向图和波束宽度的快速获取，从而实现瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描。本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：设定阵列天线的阵元间距d_x、d_y，其中d_x、d_y分别是E面、H面的阵元间距，搭建a×b元子阵(a、b≥3)并采集阵列中心某一阵元在远场距离R处的时域方向图信息；远场指场强距离乘积近似不变的区域；

步骤2：计算所设计的M×N元(M、N≥3)阵列天线主轴扫描θ角度时的延时序列T_dij；

步骤3：在延时序列T_dij激励下，计算各阵元S(i,j)在观察点P(x,y,z)合成的相对延时T_ij，其中P距离阵列口面中心的距离为r_o；各阵元S(i,j)的时域方向图和辐射场近似与步骤1中所采集阵元相同；r_o应不小于步骤1中的R，确保待计算观察点位于阵元的远场；

步骤4：采用单阵元辐射场数据与理论近似相结合的混合方法，计算阵列天线主轴偏转后在观察点P的合成场；将各阵元S(i,j)在P点的辐射场以步骤1得到的辐射场波形近似等效，根据各阵元相对P点空间合成的时间差T_ij对各阵元的辐射场进行延时平移和矢量叠加，计算出P点合成场；

步骤5：改变P点位置，根据多个观察点的合成场得到阵列天线的时域方向图。重复步骤3过程，计算并更新各阵元相对P点的合成的相对延时T_ij，计算距离r处多个观察点P的合成场波形，绘制阵列天线的时域方向图，并计算相应的波束宽度和主轴偏转角度；多个观察点的具体数量由所需的时域方向图的角度分辨率确定。

进一步的，步骤2中延时序列T_dij由各阵元S(i,j)与其在偏转后的同相波前平面上的投影点S′(i,j)的距离|SS′|确定。

进一步的，步骤2～5中的阵列天线与步骤1中可以是不同阵列间距、规模更大的阵列天线，但当阵列间距相同时本发明方法的计算准确性更高。

本发明的有效收益如下：

1、本发明提出的一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描方法，通过调节各阵元的激励延时改变阵列天线同相波前以实现阵列主轴的偏转，并采用单阵元辐射场数据与理论近似相结合的混合方法，可较为准确地快速计算较大规模阵列天线波束扫描后的时域方向图。

2、本发明相较于数值计算方法避免了对大尺寸大规模阵列天线计算的复杂建模过程和庞大的数据处理过程。

3、本发明通过调节各阵元的激励延时实现波束的电子扫描，相较于基于伺服系统的机械扫描方式更加地智能化和自动化。

4、本发明基于小型阵列天线的单元时域方向图实现大规模阵列天线的波束扫描与计算，为大型瞬态电磁脉冲阵列天线的布局搭建设计和波束扫描提供了分析手段。

附图说明

图1为本发明计算流程图；

图2为本发明单个阵元时域方向图数据采集示意图；

图3为本发明阵列天线主轴偏转示意图；

图4为本发明阵列天线主轴偏转俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的阐述和说明。

图1为本发明提供的一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描方法流程图，以图3中5×6平面阵列天线的主轴在H面扫描为例，具体实施步骤如下：

步骤1：设定阵列天线的阵元间距d_x、d_y(d_x、d_y分别是E面、H面阵元间距)，搭建a×b元子阵(a、b≥3)并采集阵列中心某一阵元在远场距离R处的时域方向图信息，为步骤4提供数据支撑，具体方法如下：

图2所示为3×3平面天线阵列，采集阵元(2,2)的时域方向图信息，即采集不同方向远场距离R处的电场/>主要包括H面不同方向的辐射场和E面不同方向的辐射场,将主波形的时间起点对齐以消除延时，得到H面、E面各辐射场分别为/> 其中m、n为正整数，具体数值由所需方向图的角度分辨率确定。

步骤2：计算所设计的M×N元(M、N≥3)阵列天线主轴扫描θ角度时的激励延时T_dij，具体方法如下：

如图3所示，以5×6平面阵列天线(或M为奇数、N为偶数的阵列)为例，天线厚度忽略不计，图4为该阵列主轴偏转的示意图，当主轴在H面扫描θ角度时，各阵元的同相波前平面也在H面扫描θ角度，此时阵列的辐射等效为从同相波前平面发出，则阵列等效辐射口面为实际阵列口面在同相波前平面上的投影。由于阵列主轴在H面偏转时各列阵元与同相波前平面的距离相同，故同列阵元激励延时相同。根据各列阵元与同相波前平面的距离差，通过延时激励使各阵元的波前同时到达同相波前平面，据此可算出第j列阵元相对口面中心的激励延时量为

其中，j＝1,2,…,N，-90°＜θ＜90°，c为光速。

步骤3：在步骤2的延时序列T_dij激励下，计算各阵元S(i,j)在观察点P(x,y,z)合成的相对延时T_ij，其中P距离阵列口面中心为r_o；如图4所示，考虑各阵元S(i,j)的辐射场由同相波前平面上的等效阵元S′(i,j)同步发出，则各阵元在观察点合成的相对延时T_ij由等效阵元S′(i,j)与P点的波程差确定。由于等效阵元S′(i,j)与P点的距离远大于阵元的尺寸，其波程可近似为阵元末端中心(x′_ij,y′_ij,z′_ij)与P的距离，根据S(i,j)与S′(i,j)的几何投影关系，得到

已知P点坐标为(x,y,z)，则阵元的波程可由勾股定理算出，以最小波程为基准，可计算得到各阵元S(i,j)在观察点P合成的相对延时T_ij。

步骤4：采用单阵元辐射场数据与理论近似相结合的混合方法，将各阵元S(i,j)在P点的辐射场以步骤1得到的辐射场波形近似等效，计算阵列天线在观察点P的辐射场，具体方法为：

步骤4.1：计算阵元S(i,j)在H面上观察点P处的近似辐射场计算观察点P相对阵元S(i,j)的H面偏角。考虑到实际上各阵元发出的辐射场并不会沿着S(i,j)-S′(i,j)-P折线式传播，计算H面偏角时仍按照P相对阵元S(i,j)实际位置形成的角度计算。将5×6阵列各阵元近似与3×3阵列所采集阵元时域方向图相同，根据观察点P与阵元S(i,j)的距离和方位角数据，结合单元在主轴R处H面不同偏角方向上的辐射场，计算出各阵元在观察点的近似辐射场。由于/>不一定为R，根据时域远场场强距离乘积近似不变的规律，将采集到的H面不同方向的辐射场/>进行幅度修正，得到阵元S(i,j)在距离/>处的时域方向图和辐射场。当相邻采样点之间角度较小时，将二者之间的波形近似为线性渐变，则可根据H面偏角近似计算出处的辐射场/>

步骤4.2：将阵元S(i,j)的辐射场延时T_ij合成，计算出阵列在P点的合成场。

步骤5：改变P点位置，根据多个观察点的合成场得到阵列天线波束扫描的时域方向图，计算并更新各阵元S(i,j)在观察点P合成的相对延时T_ij，重复步骤4过程，计算距离r_o处多个观察点的合成场波形，绘制阵列天线主轴偏转后的时域方向图，根据时域方向图可同时得到相应的波束宽度和主轴偏转角度。

以上是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。凡依本发明技术方案所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设定阵列天线的阵元间距d_x、d_y，其中d_x、d_y分别是E面、H面方向的阵元间距，搭建a×b元子阵，并采集阵列中心某一阵元在远场距离R处的时域方向图信息，其中a≥3、b≥3，

所述远场指场强距离乘积不变的区域；

步骤2：计算所设计的M×N元阵列天线主轴扫描θ角度时的延时序列T_dij，其中M≥3、N≥3；

步骤3：在延时序列T_dij激励下，计算各阵元S(i,j)在观察点P(x,y,z)合成的相对延时T_ij，其中P距离阵列口面中心的距离为r_o；

各阵元S(i,j)的时域方向图和辐射场与步骤1中所采集阵元相同；r_o应不小于步骤1中的R，确保待计算观察点位于阵元的远场；

步骤4：采用单阵元辐射场数据与理论相结合的混合方法，计算阵列天线主轴偏转后在观察点P的合成场；将各阵元S(i,j)在P点的辐射场以步骤1得到的辐射场波形等效，根据各阵元相对P点空间合成的时间差T_ij对各阵元的辐射场进行延时平移和矢量叠加，计算出P点合成场；

步骤5：改变P点位置，根据多个观察点的合成场得到阵列天线的时域方向图，重复步骤3，计算并更新各阵元相对P点的合成的相对延时T_ij，计算距离r处多个观察点P的合成场波形，绘制阵列天线的时域方向图，并计算相应的波束宽度；

所述的多个观察点的具体数量由所需的时域方向图的角度分辨率确定。

2.根据权利要求1所说的一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法，其特征在于，所述步骤2中延时序列T_dij由各阵元S(i,j)与其在偏转后的同相波前平面上的投影点S′(i,j)的距离|SS′|确定。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种瞬态电磁脉冲阵列天线波束扫描时域方向图获取方法，其特征在于，所述的步骤2～5中的阵列天线采用与步骤1阵列间距不同、规模更大的阵列天线，但若采用与步骤1阵列间距相同的阵列天线，计算准确性将更高。