CN115207643A - 一种相控阵天线收发共阵面及其布阵方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种相控阵天线收发共阵面及其布阵方法，所述布阵方法包括：步骤1，建立发射天线和接收天线小子阵：建立坐标系，以子阵列的行数或列数N的约数作为小子阵的行数M₁或列数M₂，将发射天线和接收天线在坐标系的xoy面内排列成M₁×M₂的小子阵；其中，M₁和M₂不同时等于N；步骤2，建立基于小子阵交替排列的收发共阵面相控阵天线阵列：将建立的发射天线和接收天线小子阵分别沿坐标系的x方向和y方向以相同中心间距交替排列，建立N×N的收发共阵面子阵列；以建立的收发共阵面子阵列为基本颗粒形成相控阵天线收发共阵面。本发明的阵面规模柔性可扩展，相较于传统分阵方式，有效地减少了天线占用面，提高了系统集成度。

Description

一种相控阵天线收发共阵面及其布阵方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种相控阵天线收发共阵面及其布阵方法。

背景技术

在现代雷达系统中，天线阵列作为信号的接收与发射端，在整个系统中扮演着十分重要的角色。传统的收发分阵列方式是将发射与接收天线分别排布在两个不同口径下，两个阵面完全独立的工作，这种方式的空间利用率较小，两个阵列会占用较大的面积。此外，对于球面或曲面阵列而言，为了避免两个阵面间的相互遮挡和干扰，两个阵面之间往往还需要间隔一定距离。

收发共阵面技术是通过某种特殊的布阵方式，将发射与接收阵元排列在同一个口径下，这种布阵方式只需要一个阵面则可以完成收发同时工作的需求，极大的减小了阵列占用的面积，提高系统的集成度。实现收发共阵面的同时需要考虑收发阵元间的隔离度，以及共阵面后接收阵元间距较大而出现栅瓣的问题，同时需兼顾阵元的排布方式是否利于后端组件的布局和设计。针对不同的应用场景和技术需求下，目前可选择的收发共阵面方式较多，比如：

(1)收发频带间隔较小时可采用收发天线共用阵元的方式，以一个宽带阵元同时覆盖收发频段，该方法受天线带宽限制，适用范围有限；

(2)收发频段间隔较大时，可采用稀疏阵的方式，在低频阵面的中间稀疏一部分空间用于排布高频阵元，但这种布局方式在多个阵面拼接会导致高频阵面之间间距过大而产生栅瓣，阵面布局的设计具有一定的局限性，且阵列规模无法柔性扩展；

(3)有通过在低频阵元中开孔，将高频阵元嵌套在低频阵元之间的共阵面方式，这种方式往往针对收发天线带宽较窄的情况，且高低频阵元间耦合较大；

(4)有低频天线采用条状或十字形单元布局在高频阵元的间隙之间的交织布局方式，这种共阵面布局同样是针对收发天线带宽较窄的情况；

(5)有采用频率可重构天线实现收发共阵面的技术，但这种方式无法满足收发全双工的应用需求。

因此，针对阵列规模大、波束数目多、收发频率间隔大且有一定带宽需求的应用场景，目前真正实用的收发共阵面布阵方法并不多。

发明内容

本发明旨在提供一种相控阵天线收发共阵面及其布阵方法，以解决传统的收发分阵面方式空间利用率较小，系统集成度低，收发两个阵面会占用较大面积的的问题。

本发明提供的一种相控阵天线收发共阵面布阵方法，包括如下步骤：

步骤1，建立发射天线和接收天线小子阵：

建立坐标系，以子阵列的行数或列数N的约数作为小子阵的行数M₁或列数M₂，将发射天线和接收天线在坐标系的xoy面内排列成M₁×M₂的小子阵；其中，M₁和M₂不同时等于N；

步骤2，建立基于小子阵交替排列的收发共阵面相控阵天线阵列：

将建立的发射天线和接收天线小子阵分别沿坐标系的x方向和y方向以相同中心间距交替排列，建立N×N的收发共阵面子阵列；然后以建立的收发共阵面子阵列为基本颗粒形成相控阵天线收发共阵面。

在一些实施例中，步骤1建立的发射天线和接收天线小子阵中：

发射天线的阵元间距为d，d表示发射天线工作频率的半波长；

接收天线的阵元间距为D，D表示接收天线工作频率的半波长。

在一些实施例中，步骤2建立N×N的收发共阵面子阵列中：

当d＞D时，发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的x方向的中心间距为M₁×d；发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的y方向的中心间距为M₂×d；

当d＜D时，发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的x方向的中心间距为M₁×D；发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的y方向的中心间距为M₂×D。

在一些实施例中，M₁和M₂的数值需要综合考虑性能指标和结构布局进行选择。

在一些实施例中，步骤2中建立的收发共阵面子阵列为基本颗粒，沿平面或球面排布形成收发共阵面相控阵天线阵列。

本发明还提供一种相控阵天线收发共阵面，所述相控阵天线收发共阵面为采用上述的相控阵天线收发共阵面布阵方法形成的相控阵天线收发共阵面。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明实现简单，通用性强，阵列规模柔性可扩展。本发明将发射天线和接收天线以小子阵交替排列的方式实现了收发共阵面子阵列设计。该布阵方法实现简单，可应用于多种平面或球面阵列天线，且收发共阵面子阵列内已经实现收发共阵面布局，子阵天线和后端组件可作为标准化模块，根据实际应用需求增加或减少子阵列数目，使得阵列规模柔性可扩展。

2、本发明占用面积小，系统集成度高。本发明将发射天线与接收天线集成于同一个阵面内，相较于传统的将接收天线和发射天线分别布局在两个阵面的收发分阵面方式，可有效地减少天线的占用面积，对于球面阵列还可以避免两个阵列间的相互遮挡和干扰。该布阵方法有效地将收发天线集成在一体，且后端组件、信道等模块均可以集成在一起，使得系统具有较高的集成度。

3、本发明适用于收发全双工的平面或球面等相控阵天线，可应用于测控、通信等领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的相控阵天线收发共阵面布阵方法的流程图。

图2a为本发明示例中采用1×2的发射天线和接收天线小子阵建立的4×4的收发共阵面子阵列布局图。

图2b为本发明示例中采用2×2的发射天线和接收天线小子阵建立的4×4的收发共阵面子阵列布局图。

图2c为本发明示例中采用1×4的发射天线和接收天线小子阵建立的4×4的收发共阵面子阵列布局图。

图2d为本发明示例中采用2×4的发射天线和接收天线小子阵建立的4×4的收发共阵面子阵列布局图。

图3为本发明示例中16个收发共阵面子阵列构建的平面相控阵天线的布局图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本实施例提出一种相控阵天线收发共阵面布阵方法，包括如下步骤：

步骤1，建立发射天线和接收天线小子阵：

建立坐标系，以子阵列的行数或列数N的约数作为小子阵的行数M₁或列数M₂，将发射天线和接收天线在坐标系的xoy面内排列成M₁×M₂(沿x轴方向排列M₁行，沿y轴方向排列M₂列)的小子阵；其中，M₁和M₂不同时等于N；

步骤2，建立基于小子阵交替排列的收发共阵面相控阵天线阵列：

将建立的发射天线和接收天线小子阵分别沿坐标系的x方向和y方向以相同中心间距交替排列，建立N×N的收发共阵面子阵列；然后以建立的收发共阵面子阵列为基本颗粒形成相控阵天线收发共阵面。

示例：

以4×4子阵列(即N＝4)为基本颗粒形成相控阵天线收发共阵面为例，所述相控阵天线收发共阵面布阵方法如下：

步骤1，建立发射天线和接收天线小子阵：

建立坐标系，以子阵列的行数或列数N的约数作为小子阵的行数M₁或列数M₂；N＝4的约数有1、2、4，由此，行数M₁或列数M₂可以从1、2、4中取值，其中，M₁和M₂不同时等于N；将发射天线和接收天线在坐标系的xoy面内排列成M₁×M₂(沿x轴方向排列M₁行，沿y轴方向排列M₂列)的小子阵，包括1×2、2×2、1×4、2×4(4×2和2×4可以视作同一种排列方式，4×1和1×4同理)。

其中，建立的发射天线和接收天线小子阵中：

发射天线的阵元间距为d，d表示发射天线工作频率的半波长；

接收天线的阵元间距为D，D表示接收天线工作频率的半波长。

步骤2，建立基于小子阵交替排列的收发共阵面相控阵天线阵列：

将建立的发射天线和接收天线小子阵分别沿坐标系的x方向和y方向以相同中心间距交替排列，建立4×4的收发共阵面子阵列：

如图2a为采用1×2的发射天线和接收天线小子阵建立的4×4的收发共阵面子阵列布局图；

如图2b为采用2×2的发射天线和接收天线小子阵建立的4×4的收发共阵面子阵列布局图；

如图2c为采用1×4的发射天线和接收天线小子阵建立的4×4的收发共阵面子阵列布局图；

如图2d为采用2×4的发射天线和接收天线小子阵建立的4×4的收发共阵面子阵列布局图。

图中矩形符号代表发射天线，三角形符号代表接收天线。

需要说明的是，M₁和M₂的数值需要综合考虑性能指标和结构布局进行选择，从而选择合适的小子阵排布方式。例如：当发射天线和接收天线小子阵的阵元数目较少时，射频后端组件的集成度低；当发射天线和接收天线小子阵的阵元数目较多时，则发射天线和接收天线小子阵交替排列后，小子阵之间的间距增大，从而导致副瓣电平升高甚至产生栅瓣。因此，实际情况一般是根据所需性能指标，结合射频前端组件的结构布局，选择合适小子阵排布方式。

进一步的，发射天线和接收天线小子阵的中心间距根据工作频率设置：

当d＞D(即发射天线工作频率小于接收天线工作频率)时，发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的x方向的中心间距为M₁×d；发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的y方向的中心间距为M₂×d；

当d＜D(即发射天线工作频率大于接收天线工作频率)时，发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的x方向的中心间距为M₁×D；发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的y方向的中心间距为M₂×D。

最后以建立的收发共阵面子阵列为基本颗粒形成相控阵天线收发共阵面。此处以16个图2b中的收发共阵面子阵列建立平面相控阵天线收发共阵面，如图3所示。具体实施时，每个收发共阵面子阵列后端连接一个独立的收发组件模块，由于每个收发共阵面子阵列均为完全相同的独立模块，可根据系统指标需求选择合适的收发共阵面子阵列数目和阵列形式，从而实现不同规模的平面或球面相控阵天线收发共阵面，使得阵面规模大小可根据需求实现弹性张缩。另外，此处以4×4的收发共阵面子阵列为例，当收发共阵面子阵列的行列数N不为4时，可用相同布阵方法构建收发共阵面子阵列。

由上可知，本发明的相控阵天线收发共阵面布阵方法，以发射天线和接收天线小子阵交替排列的方式构建收发共阵面子阵列，可进而实现平面或球面相控阵天线收发共阵面设计，阵面规模柔性可扩展，相较于传统分阵方式，有效地减少了天线占用面，提高了系统集成度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种相控阵天线收发共阵面布阵方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立发射天线和接收天线小子阵：

建立坐标系，以子阵列的行数或列数N的约数作为小子阵的行数M₁或列数M₂，将发射天线和接收天线在坐标系的xoy面内排列成M₁×M₂的小子阵；其中，M₁和M₂不同时等于N；

步骤2，建立基于小子阵交替排列的收发共阵面相控阵天线阵列：

将建立的发射天线和接收天线小子阵分别沿坐标系的x方向和y方向以相同中心间距交替排列，建立N×N的收发共阵面子阵列；然后以建立的收发共阵面子阵列为基本颗粒形成相控阵天线收发共阵面。

2.根据权利要求1所述的相控阵天线收发共阵面布阵方法，其特征在于，步骤1建立的发射天线和接收天线小子阵中：

发射天线的阵元间距为d，d表示发射天线工作频率的半波长；

接收天线的阵元间距为D，D表示接收天线工作频率的半波长。

3.根据权利要求2所述的相控阵天线收发共阵面布阵方法，其特征在于，步骤2建立N×N的收发共阵面子阵列中：

当d＞D时，发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的x方向的中心间距为M₁×d；发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的y方向的中心间距为M₂×d；

当d＜D时，发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的x方向的中心间距为M₁×D；发射天线和接收天线小子阵沿坐标系的y方向的中心间距为M₂×D。

4.根据权利要求1所述的相控阵天线收发共阵面布阵方法，其特征在于，M₁和M₂的数值需要综合考虑性能指标和结构布局进行选择。

5.根据权利要求1所述的相控阵天线收发共阵面布阵方法，其特征在于，步骤2中建立的收发共阵面子阵列为基本颗粒，沿平面或球面排布形成收发共阵面相控阵天线阵列。

6.一种相控阵天线收发共阵面，其特征在于，所述相控阵天线收发共阵面为采用如权利要求1-5任一项所述的相控阵天线收发共阵面布阵方法形成的相控阵天线收发共阵面。

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