CN115470671A - 一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法，涉及阵列天线领域，给出了适用于任意平面阵列的端射增强实现方法，进一步提高了端射平面阵列的方向性系数。本发明包括引入适用于任意平面阵列的空间相位常数修正因子；对均匀振幅激励下的平面阵列进行方向性系数扫描，得到方向性系数最大时对应的空间相位常数修正因子，实现任意平面阵列端射增强的相位配置；对比普通端射阵与端射增强阵的方向图与性能参数。本发明通过引入传播常数修正常数，实现任意平面阵列的端射增强，优化后阵列激励敏感度低，本发明对任意阵元栅格任意轮廓阵列都有优化效果，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及阵列天线，尤其是涉及一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法。
背景技术
随着现代信息技术的发展，天线/天线终端作为无线通信系统收发装置中重要的组成部分，其性能往往决定了整个通信系统的优劣。在现代国防与民防应用中，对天线性能提出了更高的指标要求，而在研究过程中，学者逐渐发现单一的天线往往无法直接满足实际通信系统应用中的较高要求，所以研究者们将目光转向了阵列天线。通过将相同或不同的天线单元排列组合，从而得到更大规模的，更高性能的天线阵列。天线阵列可以通过几何排布，大体分为直线阵列，平面阵列，共型阵列。直线阵列作为最简单，最规则的天线阵列，同时也是平面阵列和共型阵列的组成基础，常常通过研究直线阵列，来得出优化或改进的优化算法，从而实现更高的指标参数，再拓展延伸到平面阵列或共型阵列中，满足实际生产生活需求。
天线作为定向接收/发送电磁波的装置，其方向性性能往往是研究中的一个重要性能参数，通常使用方向性系数作为量化方向性性能的指标参数。方向性系数反映了电磁波在空间内传播的集中程度，方向性系数是表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力的量，定义为相同辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度之比。由于辐射强度正比于电场强度的平方，因此方向性系数也可以定义为给定方向电场强度平方与平均电场强度平方之比。对于接收天线而言，方向性系数是表征天线从空间接收电磁能量的能力，发射天线的方向性系数与接收天线的方向性系数虽然含义不同，但是数值相同，常常用分贝数表示，有时又称为方向增益。
阵列天线的分析是从阵元总数，阵元空间分布，各阵元的激励幅度分布和阵元的激励相位分布四方面展开的。而阵列天线的综合或设计，则是通过给定预期的辐射特性及要求，通过改变上面四项参数，从而实现满足预期或最优的设计参数。在阵列天线中，直线阵列作为平面阵列乃至共形阵列的基础，其性能指标也影响了空间天线阵列的参数，直线阵列通常由最大辐射方向分为侧射阵，端射阵和相控阵。在相同阵元数目的条件下，端射阵列通过聚焦主瓣宽度，从而实现比侧射阵更高的方向性系数，相同排布方式下端射阵列方向性系数为侧射阵列的2倍，所以，研究任意阵列端射情况下的综合方法意义重大。
早在1938年，汉森和伍德亚德就针对均匀间隔直线阵列提出了增强型端射阵的实现方法，即在普通端射阵列的均匀递变相位基础上再附加一个均匀递变的滞后相位，在普通端射阵列的基础上，进一步通过减小主瓣宽度，从而提高阵列的方向性系数，这种条件称为汉森伍德亚德条件，这种条件称为汉森伍德亚德条件，但汉森伍德亚德条件仅适用于均匀间隔直线阵列，在实际生产生活应用中，均匀间隔直线阵列由于其空间自由度过低，导致常常无法满足参数要求，所以需要研究一种适用于任意直线/平面阵列的端射波束方向性增强优化方法。
在现代国防与民防技术的发展过程中，不同实际应用决定了不同天线阵列扫描需求，例如预警机，其常常采用机身搭载平面阵列或共型阵列，来满足自身电磁环境辐射条件，由于预警机等飞行时机身与地面平行，接受和辐射信号方向为传统端射方向，所以研究任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法有一定的意义。而在理论研究中，还没有研究者系统的提出一种使用于任意平面阵列的端射波束方向性增强的优化方法，产生了理论与实际应用中的空缺。
在CN202210299500.4中，介绍了一种任意间隔直线阵列端射增强的相位配置方法，通过引入线性传播常数，设置方向性系数为扫描参数，得到最佳端射增强的相位配置条件，该方法控制单元激励全为1，降低天线阵列系统敏感度，降低加工难度与安装难度。但该方法只适用于直线阵列的研究，对于空间平面阵列具有局限性，无法继续使用。
在实际天线阵列研究中，平面阵列通常限制其轮廓和栅格形状，从而适应不同实际需求，有鉴于此，本发明提出了一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法，进一步提高任意平面阵列的方向性系数。
发明内容
为了解决上述背景技术面临的技术问题：在实际应用中，对于不同需求，要设计不同栅格形状，不同轮廓的平面阵列，但缺少针对任意平面阵列的端射增强相位配置方法。本发明提供了一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法，即通过引入空间相位常数修正因子，对一般任意平面阵列实施例计算，进一步提高任意平面阵列的方向性系数。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1.模型确定
根据实际阵列要求，确定平面阵列的阵元数目N，阵元种类，阵列最大孔径L(单元栅格形状，单元间距r，阵列轮廓形状)。
步骤2.设置目标
设置最大辐射方向设置为阵列所在平面，对给定的N个平面阵元配置等幅激励。
步骤3.参数扫描
对给定的N个平面阵元配置普通端射阵对应的相位激励，引入空间传播常数修正因子δ，设置平面阵列目标优化函数为最大方向性系数，得到方向性系数最大时对应空间传播常数修正因子δ数值，此时相位配置即为该平面阵列端射增强的相位配置条件。
步骤4.孔径扫描
对于给定阵列最大孔径的平面阵列，判断是否得到最优波束方向性增强，通过改变单元间距，单元栅格形状，阵列轮廓形状得到不同几何排布的平面阵列，重复步骤3中的参数扫描，直到得到该最大孔径下的最优端射增强的平面阵列。
本发明的有益效果在于：
1.本方法提出了任意平面阵列端射增强的一种综合实现方法，该方法对任意平面阵列具有高效性与普遍适用性。
2.相较于已有的其他超方向性算法，本方法选取均匀振幅激励阵元，降低实际应用中阵列天线激励配置的敏感度，减小精度要求与加工难度。
3.本方法可以针对限定最大孔径的平面阵列优化问题，通过对不同几何排布的平面阵列进行参数扫描，得到最大孔径下的最优端射增强平面阵列。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为任意平面阵列端射波束方向性增强的优化方法流程图。
图2为25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列阵元位置示意图。
图3为25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列端射增强扫描示意图1。
图4为25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列端射增强扫描示意图2。
图5为25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列XOY剖面方向图示意图。
图6为25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列XOZ剖面方向图示意图。
图7为21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列阵元位置示意图。
图8为21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列端射增强扫描示意图。
图9为21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列XOY剖面方向图示意图。
图10为21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列XOZ剖面方向图示意图。
图11为19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列阵元位置示意图。
图12为19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列端射增强扫描示意图。
图13为19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列XOY剖面方向图示意图。
图14为19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列XOZ剖面方向图示意图。
具体实施方法
下面结合附图及实例对本发明进行详细的描述
一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1.模型确定
根据实际阵列要求，确定平面阵列的阵元数目N，阵元种类，阵列最大孔径L(单元栅格形状，单元间距r，阵列轮廓形状)。
对于平面阵列，一般限制平面阵元最小间距不小于0.15λ，为保证平面阵列的对称性与辐射图的近圆性，常选取平面阵元等距分布，常用单元栅格形状包括矩形栅格和三角形栅格，矩形栅格满足dx＝dy且单元间距
三角形栅格满足单元间距r＝dx且
步骤2.设置目标
设置最大辐射方向设置为阵列所在平面，对给定的N个平面阵元配置等幅激励。
对于放置在XOY平面上的平面阵列，平面阵元选取理想全向辐射阵元，选取单元栅格形状为矩形栅格，即相邻平面阵元兼具相同单元间距
阵列方向图满足
其中
为阵元方向图，
为阵元复激励，取In＝1为等幅激励，
为相位激励，
β＝2π/λ为相位传播常数，rn＝[xn,yn,zn]T为位置矢量，阵元放置在XOY平面，则zn＝0。对于放置在XOY平面上的平面阵列，选取最大辐射方向
步骤3.参数扫描
对给定的N个平面阵元配置普通端射阵对应的相位激励，引入空间传播常数修正因子δ，设置平面阵列目标优化函数为最大方向性系数，得到方向性系数最大时对应空间传播常数修正因子δ数值，此时相位配置即为该平面阵列端射增强的相位配置条件。
根据相控阵理论，对普通端射阵列，为实现最大辐射指向，阵元激励满足
其中
β＝2π/λ为相位传播常数。引入空间传播常数修正因子δ，则阵元激励满足
δ取值范围为-0.3<δ<0.3，即0.7<(1+δ)<1.3。
根据天线阵列理论，阵列方向性系数D表示为最大辐射方向辐射功率与全空间辐射功率之比，即方向性系数D表示为
对于普通端射配置的平面阵列，方向性系数D表示为
对于引入空间传播常数修正因子δ的平面阵列，方向性系数D表示为
已知单元几何排布和阵元数目，就可以通过扫描空间传播常数修正因子δ，得到最大方向性系数取得最大值时平面阵列端射增强的相位配置。
步骤4.孔径扫描
对于给定阵列最大孔径的平面阵列，可以通过改变单元间距，单元栅格形状，阵列轮廓形状得到不同几何排布的平面阵列，重复步骤3中的参数扫描，最后得到该最大孔径下的最优端射增强的平面阵列。
下面给出了两种直线阵列模型实施例：
参考图1，任意平面阵列端射增强的相位配置流程图，设计下面三个实施例。
实施例A.25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列
参考图2，25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列阵元位置示意图，阵元在XOY平面内按照5*5等间距排布，即dx＝dy且单元间距
取阵元的幅度激励为In＝1，相位激励为αn＝β(1+δ)rn，为研究不同间距下，空间相位修正因子对平面阵列端射增强的效果，分别取dx＝0.3λ，dx＝0.35λ，进行参数扫描，设置空间角扫描步长为1°。修正因子在0<δ<0.5范围内扫描，设置修正因子扫描步长为0.01，对于理想全向辐射阵元，阵元间距dx＝0.3λ时，参考图3，25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列端射增强扫描示意图1，修正因子取值为0.3，达到最大方向性系数，此时对应平面阵列端射增强的方向性系数为15.7568dB，同时25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列普通端射相位配置下方向性系数为13.9806dB，增大1.7762dB。阵元间距dx＝0.35λ时，参考图4，25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列端射增强扫描示意图2，修正因子取值为0.29，达到最大方向性系数，此时对应平面阵列端射增强的方向性系数为16.55dB，同时25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列普通端射相位配置下方向性系数为14.8175dB，增大1.7325dB。
以阵元间距dx＝0.3λ为例，参考图5，25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列XOY剖面方向图示意图，对于矩形栅格矩形轮廓平面阵列，引入空间相位修正因子后的增强型端射阵列，在XOY剖面上，主瓣宽度改变较小。参考图6，25元矩形栅格矩形轮廓平面阵列XOZ剖面方向图示意图，对于矩形栅格矩形轮廓平面阵列，引入空间相位修正因子后的增强型端射阵列，在XOZ剖面上，聚焦主瓣宽度，以牺牲副瓣与后瓣电平约束的代价，换取更大的方向性系数。综合上述计算结果，在本实施例中，本方法有效性得到验证。
实施例B.21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列
参考图7，21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列阵元位置示意图，阵元在XOY平面内按照5*5等间距排布，即dx＝dy且单元间距
限制在平面阵列轮廓为八边形轮廓，取最大孔径R＝5*dx，筛选后阵元数目N＝21，取阵元的幅度激励为In＝1，相位激励为αn＝β(1+δ)rn，为研究不同间距下，空间相位修正因子对平面阵列端射增强的效果，取dx＝0.3λ进行参数扫描，设置空间角扫描步长为1°。修正因子在0<δ<0.5范围内扫描，设置修正因子扫描步长为0.01，对于理想全向辐射阵元，阵元间距dx＝0.3λ时，参考图8，21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列端射增强扫描示意图，修正因子取值为0.32，达到最大方向性系数，此时对应平面阵列端射增强的方向性系数为14.0496dB，同时21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列普通端射相位配置下方向性系数为12.6859dB，增大1.3637dB。
以阵元间距dx＝0.3λ为例，参考图9，21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列XOY剖面方向图示意图，对于矩形栅格八边形轮廓平面阵列，引入空间相位修正因子后的增强型端射阵列，在XOY剖面上，主瓣宽度改变较小。参考图10，21元矩形栅格八边形轮廓平面阵列XOZ剖面方向图示意图，对于矩形栅格八边形轮廓平面阵列，引入空间相位修正因子后的增强型端射阵列，在XOZ剖面上，聚焦主瓣宽度，以牺牲副瓣与后瓣电平约束的代价，换取更大的方向性系数。综合上述计算结果，在本实施例中，本方法有效性得到验证。
实施例C.19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列
参考图11，19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列阵元位置示意图，阵元在XOY平面内按照5*5三角形排布，即r＝dx且
限制在平面阵列轮廓为八边形轮廓，取最大孔径L＝5*dx，筛选后阵元数目N＝19，取阵元的幅度激励为In＝1，相位激励为αn＝β(1+δ)rn，为研究不同间距下，空间相位修正因子对平面阵列端射增强的效果，取dx＝0.3λ进行参数扫描，设置空间角扫描步长为1°。修正因子在0<δ<0.5范围内扫描，设置修正因子扫描步长为0.01，对于理想全向辐射阵元，阵元间距dx＝0.3λ时，参考图12，19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列端射增强扫描示意图，修正因子取值为0.46，达到最大方向性系数，此时对应平面阵列端射增强的方向性系数为15.0233dB，同时19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列普通端射相位配置下方向性系数为12.6005dB，增大2.4228dB。
以阵元间距dx＝0.3λ为例，参考图13，19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列XOY剖面方向图示意图，对于三角形栅格八边形轮廓平面阵列，引入空间相位修正因子后的增强型端射阵列，在XOY剖面上，聚焦主瓣宽度，以牺牲副瓣与后瓣电平约束的代价，换取更大的方向性系数。参考图14，19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列XOZ剖面方向图示意图，对于三角形栅格八边形轮廓平面阵列，引入空间相位修正因子后的增强型端射阵列，在XOZ剖面上，同样聚焦主瓣宽度，以牺牲副瓣与后瓣电平约束的代价，换取更大的方向性系数。可以得出结论对于19元三角形栅格八边形轮廓平面阵列，引入空间相位修正因子可以在XOY剖面和XOZ剖面同时起到聚焦主瓣宽度，从而提高方向性系数的作用。综合上述计算结果，在本实施例中，本方法有效性得到验证。
下表给出了A，B，C三个实施例的参数对比。
定义增益G为增强型端射阵列相关参数与普通端射阵列相关参数之比。
表实施例A,B，C参数对比
通过实施例A，B，C参数对比表，可以得出结论，本方法对不同阵元栅格，不同阵列轮廓的平面阵列的优化效果略有差异，但仍具有有效性与普遍适用性两大优势，且对比阵列天线领域已有的其他超方向性优化方法，本方法对均匀振幅激励阵元进行优化，降低了实际应用中的激励配置敏感度，降低了加工难度与精度要求。
以上内容是结合具体的优选实施方法对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或演替，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1.模型确定
根据实际阵列要求，确定平面阵列的阵元数目N，阵元种类，阵列最大孔径L；
步骤2.设置目标
设置最大辐射方向设置为阵列所在平面，对给定的N个阵元配置等幅激励；
步骤3.参数扫描
引入空间传播常数修正因子δ，设置平面阵列目标优化函数，得到方向性系数最大时对应平面阵列端射增强的相位配置条件；
步骤4.孔径扫描
判断是否得到最优波束方向性增强设计，重复步骤3中的参数扫描，得到最优端射增强的平面阵列。
2.根据权利要求1中所述的一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法，其特征在于，步骤3中包括如下分析：
步骤3中操作对全向理想阵元，含耦合非理想阵元均适用；
对于不同单元的平面阵列，可以在全局坐标下分别获取每个单元的有源方向图的θ分量，
分量，增益的θ分量，以及增益的
分量；具体可通过全波仿真等方法获取；
给定的N个平面阵元配置普通端射阵对应的等幅相位激励，引入空间传播常数修正因子δ，设置平面阵列目标优化函数为最大方向性系数，得到方向性系数最大时对应空间传播常数修正因子δ数值，此时相位配置即为该平面阵列端射增强的相位配置条件。
3.根据权利要求1中所述的一种任意平面阵列端射波束方向性增强的优化设计方法，其特征在于，步骤4中包括如下分析对于只给定阵列最大孔径的平面阵列，判断是否得到最优波束方向性增强设计，通过改变单元间距，单元栅格形状，阵列轮廓形状得到不同几何排布的平面阵列，重复步骤3中的参数扫描，直到得到该最大孔径下的最优端射增强的平面阵列。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115470671B (zh) | 2023-11-24 |
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