CN115408880A - 一种交叠多波束馈源的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交叠多波束馈源的设计方法，属于天线领域。该方法包括以下步骤：确定初始设计参数；估算馈源阵列单元所需要的等效辐射口径；根据馈源阵列单元的物理尺寸与等效辐射口径的比值，以强耦合阵列单元作为馈源阵列单元；以反射面天线各波束的增益值以及天线口径效率作为评价函数，采用优化方法，对馈源阵列单元的结构设计参数进行优化，得到馈源阵列的最终设计参数。该方法解决了馈源阵列由于单元口径和偏焦距离之间的物理干涉矛盾，可实现高效率、连续空域覆盖的多个波束。

Description

一种交叠多波束馈源的设计方法

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是指一种低成本高效率的交叠多波束馈源的设计方法。

背景技术

共口径或部分共口径的多波束天线技术可以有效的提高天线的工作效率，利用单个天线即可实现多点或特定区域的波束覆盖。在雷达、通信、微波接收、射电天文等领域具有广泛的应用，而焦平面阵列馈电的反射面天线是多波束天线的主要形式之一，尤其是在增益要求较高的场合，其高性价比的优势更加明显。

多波束反射面天线采用焦平面阵列照射反射面，利用偏焦馈电形成多个不同指向的波束。根据组成原理的不同，焦平面阵列可分为馈源组和相控阵馈源两种。前者通过在天线焦点附近放置多个馈源实现多个波束，这种焦平面阵列的每个单元都是一个性能良好的馈源，各单元相互独立，通过波束切换实现扫描或多波束工作。通过将馈源横向偏离焦点，不仅解决了各个馈源在空间上的干涉，也使得波束具有不同的指向。馈源组的各个单元相互独立，因此天线的波束数量与馈源数量一致。相控阵馈源则是一个小型的二维相控阵天线，通过波束合成网络，加以适当的激励，以子阵列或整个阵列实现对反射面的照射。使局部或整个馈源阵列等效为一个馈源。相控阵馈源的波束数量和指向主要取决于波束合成网络的处理能力。

使用馈源组技术实现多波束的主要缺点在于：受物理尺寸的限制，各个馈源的相位中心相距较远，由于波束的指向与馈源的偏焦距离密切相关，因此各波束间隔较大，无法实现连续的天区覆盖。而相控阵馈源的相位中心与激励有关，合成波束对应的馈源相位中心能够靠得很近，这使得波束相互交叠，实现连续的天区覆盖，但精心设计的波束合成网络使得系统复杂度大大增加，导致馈源系统造价高昂，同时对通道校准的依赖度极高，而言在毫米波波段对超大口径天线应用甚至难以实现。

发明内容

本发明的目的在于避免背景技术中的不足之处而提供一种低成本高效率的交叠多波束馈源的设计方法。

本发明所采取的技术方案为：

一种交叠多波束馈源的设计方法，包括如下步骤：

步骤1，根据所应用的反射面天线焦径比，以及波束交叠要求，确定初始设计参数，包括馈源阵列单元的物理尺寸、单元的间距和照射角，并选定照射电平；

步骤2，按照步骤1中选取的初始设计参数，估算馈源阵列单元所需要的等效辐射口径；

步骤3，根据馈源阵列单元的物理尺寸与等效辐射口径的比值，以强耦合阵列单元作为馈源阵列单元；

步骤4，根据波束的增益值计算天线口径效率，以反射面天线各波束的增益值以及天线口径效率作为评价函数，采用优化方法，对馈源阵列单元的结构设计参数进行优化，得到使反射面天线各波束性能达到最优的馈源阵列单元的结构设计参数，并将其作为馈源阵列的最终设计参数；

完成所述多波束馈源的设计。

进一步地，对于多反射面天线，步骤（1）中所述的反射面天线焦径比为等效焦径比。

进一步地，步骤（3）中的强耦合阵列单元包括Vivaldi单元、交趾结构的偶极子单元、棋盘阵列单元。

进一步地，步骤（3）中，在馈源阵列边缘还设置有非辐射的额外单元以保证辐射单元耦合电流的连续性，额外单元的数量由耦合电流分布范围决定，具体方式为，分析单个单元馈电时其它口径面的电流强度，通过仿真添加不同数量的额外单元，根据馈电单元的性能确定额外单元的数量。

进一步地，步骤（4）中优化方法为差分进化方法，其中，设置反射面天线半照射角为确定值，种群初始化后将产生的变量传递给全波仿真软件中的模型，调用求解模型后再读取计算结果，利用切面方向图数据计算各频点天线效率，得到单次结果。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

1、本发明打破了馈源阵列单元物理口径与辐射口径对应的设计思维，通过挖掘相控阵馈源“共享辐射口径”实现高交叠电平，通过在馈源阵列单元间的强互耦特性扩展馈源阵列单元的等效辐射口径，从而获得了远窄于单个馈源阵列单元物理尺寸所对应的波束宽度。在不需要波束合成的条件下实现了“辐射口径共享”，解决了高效率和高波束交叠之间的物理干涉矛盾，实现了高效率、连续空域覆盖的多个波束。

2、本发明突破了一般方法中物理口径与辐射口径对应、在辐射效率与波束交叠电平之间权衡的设计思路，通过利用电小尺寸单元之间的互耦，扩大单个馈源阵列单元的等效辐射口径，获得与馈源阵列单元物理尺寸所对应的方向图相比更窄的方向图，从而在不需要波束合成的条件下，从根本上解决了馈源阵列由于单元口径和偏焦距离之间的物理干涉矛盾，可实现高效率、连续空域覆盖的多个波束，适用于面向高增益、有限区域波束覆盖应用的天线设计。

附图说明

图1是本发明实施例的原理示意图。

图2是本发明实施例方法的流程图。

图中包括：馈源阵列单元1，等效辐射口径2，辐射单元耦合电流3，额外单元4。

具体实施方式

参照图1和图2，一种交叠多波束馈源的设计方法，包括如下步骤：

一种交叠多波束馈源的设计方法，包括如下步骤：

（1）根据所应用的反射面天线焦径比，以及波束交叠要求，确定初始设计参数，包括馈源阵列单元的物理尺寸、单元的间距和照射角，并选定照射电平；馈源阵列可采用正方形排布；

（2）按照步骤（1）中选取的初始设计参数，估算馈源阵列单元所需要的等效辐射口径；

（3）根据馈源阵列单元的物理尺寸与等效辐射口径的比值，以强耦合阵列单元作为馈源阵列单元；

（4）根据波束的增益值计算天线口径效率，以反射面天线各波束的增益值以及天线口径效率作为评价函数，采用优化算法，对馈源阵列单元的结构设计参数进行优化，得到使反射面天线各波束性能达到最优的馈源阵列单元的结构设计参数，并将其作为馈源阵列的最终设计参数；

完成所述多波束馈源的设计。

其中，步骤（1）中所述的反射面天线焦径比，对多反射面天线而言是等效焦径比。

步骤（3）中的强耦合阵列单元包括但不限于Vivaldi单元、交趾结构的偶极子单元、棋盘阵列单元。

步骤（3）中，为保证馈源阵列边缘的单元照射效率，需要在馈源阵列边缘增加非辐射的额外单元以保证辐射单元耦合电流的连续性，额外单元的数量由耦合电流分布范围决定，具体通过分析单个单元馈电时其它口径面电流强度，再通过仿真添加不同数量额外单元后馈电单元的性能综合确定。

步骤（4）中的优化算法包括全局和局部优化算法，具体优化过程如下：

采用差分进化等算法对阵列单元的结构参数进行优化，首先在优化程序中设置需要优化参数的范围、种群规模、迭代次数、频率范围、场监视器等，反射面天线半照射角为确定值，种群初始化后将产生的变量传递给全波仿真软件中的模型，调用求解模型后再读取计算结果，利用切面方向图数据计算各频点天线效率，得到单次结果，接着执行算法后续操作。

总之，本发明突破了一般方法中在辐射效率与波束交叠电平之间权衡的设计思路，通过利用电小尺寸单元之间的互耦，扩大单个馈源阵列单元的等效辐射口径，获得远窄于单个馈源阵列单元物理尺寸相对应的方向图，从而在不需要波束合成的条件下，从根本上解决了馈源阵列由于单元口径和偏焦距离之间的物理干涉矛盾，可实现高效率、连续空域覆盖的多个波束，适用于面向高增益、有限区域波束覆盖应用的天线设计。

Claims (5)

1.一种交叠多波束馈源的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据所应用的反射面天线焦径比，以及波束交叠要求，确定初始设计参数，包括馈源阵列单元的物理尺寸、单元的间距和照射角，并选定照射电平；

步骤2，按照步骤1中选取的初始设计参数，估算馈源阵列单元所需要的等效辐射口径；

步骤3，根据馈源阵列单元的物理尺寸与等效辐射口径的比值，以强耦合阵列单元作为馈源阵列单元；

步骤4，根据波束的增益值计算天线口径效率，以反射面天线各波束的增益值以及天线口径效率作为评价函数，采用优化方法，对馈源阵列单元的结构设计参数进行优化，得到使反射面天线各波束性能达到最优的馈源阵列单元的结构设计参数，并将其作为馈源阵列的最终设计参数；

完成所述多波束馈源的设计。

2.根据权利要求1所述一种交叠多波束馈源的设计方法，其特征在于，对于多反射面天线，步骤（1）中所述的反射面天线焦径比为等效焦径比。

3.根据权利要求1所述一种交叠多波束馈源的设计方法，其特征在于，步骤（3）中的强耦合阵列单元包括Vivaldi单元、交趾结构的偶极子单元、棋盘阵列单元。

4.根据权利要求1所述一种交叠多波束馈源的设计方法，其特征在于，步骤（3）中，在馈源阵列边缘还设置有非辐射的额外单元以保证辐射单元耦合电流的连续性，额外单元的数量由耦合电流分布范围决定，具体方式为，分析单个单元馈电时其它口径面的电流强度，通过仿真添加不同数量的额外单元，根据馈电单元的性能确定额外单元的数量。

5.根据权利要求1所述一种交叠多波束馈源的设计方法，其特征在于，步骤（4）中优化方法为差分进化方法，其中，设置反射面天线半照射角为确定值，种群初始化后将产生的变量传递给全波仿真软件中的模型，调用求解模型后再读取计算结果，利用切面方向图数据计算各频点天线效率，得到单次结果。

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