CN116093616A - 一种幅相加权串馈微带天线阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种幅相加权串馈微带天线阵列，包括天线包括一个介质基板、印刷于介质基板上表面的微带辐射层、印刷于介质基板下表面的地平面层；微带辐射层包括贴片单元、贴片间的传输馈线结构以及馈电结构；贴片单元为矩形微带贴片2；贴片单元产生辐射，并通过调整其宽度来实现阵列幅度加权；传输馈线将贴片单元连接起来，并通过调整长度来实现相位加权。优点：本发明，引入相位加权增大天线阵列设计自由度，有效改善了微带贴片宽度变化范围有限的局限性，使赋形更加灵活，适用于任意形状波束赋形。

Description

一种幅相加权串馈微带天线阵列
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种幅相加权串馈微带天线阵列。
背景技术
波束赋形是一项重要的天线技术，在导弹制导、雷达跟踪、微波着陆以及环境监测等多种场景都得到广泛应用。例如，在机载雷达系统中，使用低副瓣天线来避免地面杂波的信号干扰；在雷达自动追踪系统中，需要天线辐射波束尽可能窄且具有较好方向性；在设计空对地搜索雷达时，需使用余割平方天线保证方向图在水平方向上具有窄波束特性，垂直方向上呈余割平方波束，这样可以确保接收信号强度与目标距离无关，仅受高度影响。基于上述优势，天线阵列赋形技术在遥感、通信、军事等领域的应用范围不断扩大，与之相关的技术工作也在持续推进。
天线阵列馈电方式主要分为串联、并联以及串并联相结合三种。随着移动通信系统的不断更迭，应用设备日趋小型化。并联馈电结构占用空间大且较长馈线的使用降低了辐射效率。而串馈馈电具有结构简单、损耗低的显著优势，因而对于结构紧凑的串联天线阵列的设计研究显得十分必要。然而，串馈微带天线阵列的设计往往仅采用幅度加权法。虽然通过调控天线阵列激励幅度可以得到指定波束，但某些波束对幅度动态范围要求比较大，而难以实现。且对波束性能指标有更高要求时，仅幅度加权天线阵列有时也不能满足需求。
综上所述，设计具有幅相加权的串馈天线，并提出一种精准、高效的赋形串馈天线阵列具有重要的研究意义与广泛的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种幅相加权串馈微带天线阵列，实现赋形效果精准、赋形波束形状多样的串馈微带天线阵列。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种幅相加权串馈微带天线阵列，包括介质基板、覆设于介质基板顶面的微带辐射层以及覆设于介质基板底面的接地板层；微带辐射层包括若干微带贴片、连接相邻两个微带贴片的传输馈线以及布置在传输馈线上的馈电结构，所有微带贴片沿介质基板长度方向由一端向另一端逐一布置，构成天线阵列；所述天线阵列关于位于中间位置处的传输馈线两边对称设置；所述天线阵列内布置一个馈电结构，馈电结构布置在天线阵列位于中间位置处的一个传输馈线上，该馈电结构两端到两个微带贴片之间的传输馈线长度不等，且相差的长度需实现180°相位差；天线阵列内的微带贴片激励产生辐射，通过调整微带贴片宽度实现阵列幅度加权；天线阵列内的传输馈线将微带贴片连接起来，调整传输馈线长度实现阵列相位加权。
对本发明技术方案的进一步优选，所述天线阵列的幅度加权方法为：将微带贴片的宽度按照归一化幅度比进行等比例赋值。
对本发明技术方案的进一步优选，传输馈线为U型传输馈线。传输馈线采用U型结构，用于保证阵元间距相等，同时减小天线口径，避免引入栅瓣。
对本发明技术方案的进一步优选，所述天线阵列的相位加权通过调节U型传输馈线长度来实现，具体方法为：
将微带辐射层分为与阵元个数相同的若干个分析模块，若干个分析模块关于位于中间位置处的传输馈线两边对称设置，定义传输馈线一边的分析模块自中间向外分别为分析模块1、分析模块2、……分析模块i，i为正整数，i＝N/2；N为阵元个数；
每个分析模块相位由微带贴片的尺寸以及U型传输馈线的长度共同决定，利用阵中相位提取模型读取各个分析模块相位值；
当天线阵列中目标相位分别为
Figure BDA0004117074630000021
自中间向外各分析模块所需实现相位分别为：
Figure BDA0004117074630000022
固定微带贴片的尺寸不变，调节U型传输馈线的长度，各分析模块得到所需相位。
对本发明技术方案的进一步优选，馈电结构采用同轴电缆，在同轴电缆的探针上方加载一个圆形金属片调节阻抗匹配；调节探针所连的两根微带线的长度差，使左右两边的贴片同相激励。
对本发明技术方案的进一步优选，所述天线阵列上对紧靠馈电结构的两个微带贴片上开槽，位于中间位置处的U型传输馈线的两端插入开槽内。开槽辅助调节天线的副瓣性能。
一种幅相加权串馈微带天线阵列的任意幅度相位的优化方法，包括如下步骤：
S1.建立粗模型：给定阵元个数N、阵元间距0.5λ，按以下公式计算天线方向图：
Figure BDA0004117074630000023
S2.得到粗模型最优解：利用优化算法，优化阵列单元的幅度和相位，使粗模型产生目标方向图，该幅相数据为粗模型的最优解；
S3.建立细模型：将全波仿真软件中的天线模型作为细模型；
S4.提取参数：利用优化算法，使粗模型的结果逼近细模型的结果，得到粗模型中阵列单元的幅相；
S5.更新雅克比矩阵，同时获取新细模型设计参量，代入细模型中仿真验证，若此时细模型响应仍未达到设计指标，则重复迭代，直至细模型响应满足设计指标要求。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.本发明，引入相位加权增大天线阵列设计自由度，有效改善了微带贴片宽度变化范围有限的局限性，使赋形更加灵活，适用于任意形状波束赋形。
2.本发明，利用空间映射算法建立粗模型与细模型，再采用优化算法建立这两个模型之间的联系以及映射关系，从而进行优化设计；利用人工蜂群算法就是一种智能算法，拟合粗模型的参数使之与细模型方向图对应，从而建立粗模型细模型之间的映射关系；本发明联合使用空间映射算法和智能算法优化阵列，将复杂没有规律的物理尺寸优化问题转化为迭代加权值优化问题，有效改善天线赋形性能，且全波仿真次数少、设计高效。
3.本发明，传输馈线采用U型结构，将相邻阵元间距固定为半波长，有效利用了串馈阵列结构紧凑的特点，空间利用率高，天线辐射效率高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例一中微带天线阵列结构图；
图2为本发明实施例一中阵中馈线相位提取模型结构示意图；
图3为本发明实施例一中微带天线阵列初始响应方向图，与理想情况对比图；
图4为本发明实施例一中微带天线阵列第一次迭代响应方向图，响应变化情况与理想情况对比图；
图5为本发明实施例一中微带天线阵列第二次迭代响应方向图，响应变化情况与理想情况对比图；
图6为本发明实施例二中任意幅相加权天线阵列结构图；
图7为本发明实施例二中任意幅相加权天线阵列初始响应方向图，与理想情况对比图；
图8为本发明实施例二中任意幅相加权天线阵列第一次迭代的响应变化情况与理想情况对比图；
图9为本发明实施例二中任意幅相加权天线阵列第二次迭代的响应变化情况与理想情况对比图；
图10为本发明实施例二中任意幅相加权天线阵列第三次迭代的响应变化情况与理想情况对比图；
图11为本发明实施例二中任意幅相加权天线阵列第四次迭代的响应变化情况与理想情况对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域人员更好理解本发明方案，以下结合实施例与附图，对本发明的技术方案作进一步描述。
本实施例系一种幅相加权串馈微带天线阵列，天线包括一个介质基板、印刷于介质基板上表面的微带辐射层、印刷于介质基板下表面的地平面层；
所述微带辐射层包括贴片单元、贴片间的传输馈线结构以及馈电结构；贴片单元为矩形微带贴片2；通过馈电使贴片单元产生辐射，并通过调整其宽度来实现阵列幅度加权；传输馈线将贴片单元连接起来，并通过调整长度来实现相位加权。
如图1所示，一种幅相加权串馈微带天线阵列，介质基板1、覆设于介质基板1顶面的微带辐射层以及覆设于介质基板1底面的接地板层；微带辐射层包括若干微带贴片2、连接相邻两个微带贴片2的传输馈线4以及布置在传输馈线4上的馈电结构3，所有微带贴片2沿介质基板1长度方向由一端向另一端逐一布置，构成天线阵列；所述天线阵列关于位于中间位置处的传输馈线4两边对称设置；所述天线阵列内布置一个馈电结构3，馈电结构3布置在天线阵列位于中间位置处的一个传输馈线4上，该馈电结构3两端到两个微带贴片2之间的传输馈线4长度不等，且相差的长度需实现180°相位差；所述天线阵列内的微带贴片2激励产生辐射，通过调整微带贴片2宽度实现阵列幅度加权；所述天线阵列内的传输馈线4将微带贴片2连接起来，调整传输馈线4长度实现阵列相位加权。
本实施例的幅相加权串馈微带天线阵列，天线阵分为与阵元个数相同的若干个分析模块，进行相位设计；在设计方法上，综合运用空间映射优化算法及智能优化算法进行优化设计，实现精准、高效的串馈微带天线阵列波束赋形。天线阵列的幅度加权方法为：归一化各天线单元的预期幅度，将微带贴片单元的宽度按照归一化幅度比进行等比例赋值，实现阵列幅度加权。
本实施例的幅相加权串馈微带天线阵列的相位加权通过调节U型传输馈线长度来实现，具体方法为：
将微带辐射层分为与阵元个数相同的若干个分析模块，若干个分析模块关于位于中间位置处的传输馈线4两边对称设置，定义传输馈线4一边的分析模块自中间向外分别为分析模块1、分析模块2……分析模块i，i为正整数，i＝N/2；N为阵元个数；每个分析模块相位由微带贴片2的尺寸以及U型传输馈线的长度共同决定，利用阵中相位提取模型读取各个分析模块相位值；当天线阵列中目标相位分别为
Figure BDA0004117074630000041
自中间向外各分析模块所需实现相位分别为：
Figure BDA0004117074630000042
Figure BDA0004117074630000043
固定微带贴片2的尺寸不变，调节U型传输馈线的长度，各分析模块得到所需相位。
一种幅相加权串馈微带天线阵列的任意幅度相位的优化方法，包括如下步骤：
S1.建立粗模型：给定阵元个数N、阵元间距0.5λ，按以下公式计算天线方向图：
Figure BDA0004117074630000051
S2.得到粗模型最优解：利用优化算法，优化阵列单元的幅度和相位，使粗模型产生目标方向图，该幅相数据为粗模型的最优解；
S3.建立细模型：将全波仿真软件中的天线模型作为细模型；
S4.提取参数：利用优化算法，使粗模型的结果逼近细模型的结果，得到粗模型中阵列单元的幅相；
S5.更新雅克比矩阵，同时获取新细模型设计参量，代入细模型中仿真验证，若此时细模型响应仍未达到设计指标，则重复迭代，直至细模型响应满足设计指标要求。其中，设计指标为，主瓣波动程度在设定范围内，副瓣电平低于目标值。
本实施例中，S1.粗模型建立：具体为：在Matlab软件系统内利用阵因子法新建粗模型；给定阵列中心频率、阵元个数N为偶数、阵元间距0.5λ，阵列呈中心对称设计，故设计一边参数即可，一侧N/2个单元幅相共N个参数；利用方向图综合算法获取粗模型的幅度及相位值，得到满足理想方向图设计要求的一组幅相参数，该组参数为粗模型最优解。
S3.细模型建立：具体为：依据中心频率确定介质基板介质常数、厚度参数，并得到单贴片尺寸；将一贴片单元加一节右侧馈线看成一整体，利用二端口法单独设计各单元尺寸；将粗模型最优解作为细模型初始设计参量，幅度分布依据微带贴片宽度比例实现，相位分布由馈线长短实现，构建细模型；
S4.提取参数：具体为：将细模型响应导入Matlab软件系统内中，划分为主瓣区域以及副瓣区域两部分进行拟合，具体如下：
范围1为副瓣区域，设置副瓣电平最大值SIL的阈值Thrs1＝-20；范围2为主瓣区域：由于赋形平顶波束关键指标是主瓣区域波动程度，故设定容许最大误差ε阈值Thrs2＝5；算法迭代逻辑是目标函数值不断减小，故设定正实数值Qi确保函数值为正数，分别设置Q1、Q2为1000和500；拟合过程具体分为两个阶段：
第一阶段：对范围1进行拟合，保证副瓣电平在设计指标Thrs1＝-20以下，当最大副瓣电平SIL降低到指标Thrs1以下时进入下一阶段，该阶段函数值f可表示为：
f＝Q1+SIL,when SIL≥Thrs1
第二阶段：在前一阶段基础上，拟合方向图主瓣区域；获取方向图在主瓣区域内与细模型响应接近的粗模型设计参数xc 0，逼近程度由粗模型参量xc 0与细模型参量xf 0在拟合范围内的差值向量二范数判定，f可表示为下式：
f＝Q2+ε,whenε≥Thrs2。
实施例1
设计了一款基于傅里叶分布的平顶波束赋形天线，中心频率为10GHz，相邻阵元仅存在0度或180相位差，阵元间距为15mm，可实现平顶区域波动不超过2dB、副瓣电平低于-20dB的平顶波束。
本实施例在相对介电常数为2.65，厚度为0.8mm的F4B板材上实现。
本实施例在赋形平顶波束过程中，采用傅里叶变换法计算激励电流分布，将傅里叶分布副瓣电平设定为-25dB，阵元个数设为8，得到激励电流分布比，由于阵列中心对称，故仅列出天线阵列一侧参数值，自阵列两侧向中心激励电流分布如下：
激励电流幅度分布：0.21：0.125：0.429：1
激励电流相位分布：pi：pi：0：0
对应方向图主瓣波动最大程范围为1.74dB，副瓣电平为-22.8dB，满足设计要求，故将该组分布作为粗模型最优解，进行平顶波束赋形天线阵列设计。
参见图1，天线阵分成4个分析模块，贴片单元基于介质基板Y轴方向等间距排列，单元间距为0.5λ；采用同轴电缆在天线阵列中心馈电，临近馈电结构两贴片开设有凹槽用于调节阻抗。
参见图2，阵中相位提取模型构成如下，微带贴片单元两侧各接一截传输线，右侧传输线为U型结构，传输线两端分别连接两波端口6，其中一个端口给单元馈电，另一个仅作为视察单元性能的结构。利用端口平移功能(Deembed)将任意一侧端口位置移动至贴片辐射边边缘，观察端口1到端口2之间相位。
天线阵列细模型初始尺寸参数值见表1。
表1 中馈天线阵列结构初值(mm)
Figure BDA0004117074630000061
Figure BDA0004117074630000071
参见图3，对天线阵列进行全波仿真得到天线初始细模型响应，并与理想方向图比较，主瓣波动程度达到3.67dB，远未达到指标要求，且副瓣电平明显抬高，需进行优化迭代。
表2给出了每次迭代得到的激励幅度分布以及微带贴片宽度值。
表2 傅里叶加权天线阵列粗模型及细模型参数集
Figure BDA0004117074630000081
参见图4和图5所示，天线阵列经过两次优化，主瓣波纹逐渐平坦，最终主瓣区域波动范围在1.79dB以内，与目标方向图高度重合，主瓣波束宽度为47°，副瓣电平降低到-20.38dB，均满足设计指标要求，3dB波束宽度为45.8°，天线增益为16.5dB，天线辐射性能良好。
实施例2
本实施例引入任意相位引入相位参量，扩大阵列设计自由度，有效减轻激励幅度比值压力，波束赋形更加灵活。本实施例最终实现波束平顶区域波动在0.69dB以内。
采用人工蜂群算法进行方向图综合，迭代逻辑是得到最小目标函数值，目标函数值越小，对应方向图函数越接近求解目标。由于平顶波束赋形更注重主瓣波纹波动程度，故本文按照渐进优化法则，将优化过程分成两个阶段：首先对副瓣区域进行优化，当副瓣电平低于阈值即可，接着优化方向图主瓣区域，通过不断优化迭代降低主瓣波动水平，直到限定的最大迭代次数。综合得到平顶波束主瓣波动在0.34dB以内，副瓣电平低于-18.3dB，自阵列两侧向中心激励电流分布如下：
幅度分布：0.1：0.1618：0.2：0.3088：0.2：1
相位分布：0.495：1.187：1.187：2.85：0：0
参见图6，依据上述激励电流分布设计得到1×12线阵，设计方式与实施例一相同，对设计完成天线阵列进行全波仿真，得到初始细模型响应参见图7，主瓣区域波动达到5dB以上，与理想方向图存在较大差距。
表3为初始细模型尺寸参数。
表3 任意幅相加权天线阵列结构初值(mm)
<![CDATA[w<sub>1</sub>]]> <![CDATA[w<sub>2</sub>]]> <![CDATA[w<sub>3</sub>]]> <![CDATA[w<sub>4</sub>]]> <![CDATA[w<sub>5</sub>]]> <![CDATA[w<sub>6</sub>]]> cen_h
0.88 1.423 1.76 2.64 1.32 8.8 9.5
<![CDATA[l<sub>1</sub>]]> <![CDATA[l<sub>2</sub>]]> <![CDATA[l<sub>3</sub>]]> <![CDATA[l<sub>4</sub>]]> <![CDATA[l<sub>5</sub>]]> <![CDATA[l<sub>6</sub>]]> rr
10.4 10 9.85 9.6 9.852 8.9 0.6
<![CDATA[I_bu<sub>1</sub>]]> <![CDATA[I_bu<sub>2</sub>]]> <![CDATA[I_bu<sub>3</sub>]]> <![CDATA[I_bu<sub>4</sub>]]> <![CDATA[I_bu<sub>5</sub>]]> lx III
6.8 0 3.7 4.4 0 0.3 3.6
经过四次空间映射迭代，获得精准平顶波束赋形，迭代过程方向图变化见图8、9、10和11，图8可知，第一次迭代后响应方向图主瓣区域较初始仿真结果有很明显的改善，波纹水平在-2.5dB以上；图9中的仿真结果较前一次相比，主瓣性能同样获得显著提升；图10以及图11均可以看出，方向图的副瓣区域特性得以改善。另外，前三次迭代均基于激励相位加权的误差，优化细模型单元间馈线尺寸，最后一次优化针对阵元幅度，得到激励幅度分布为0.1：0.1618：0.2：0.308：0.25：1。图11为最终仿真结果，平顶波束主瓣波纹减小到-0.69dB以内，副瓣区域电平达到-11.86dB，优良平顶波束的赋形验证了微带串馈天线阵列实现任意幅相方案的可行性以及该方法的准确高效性。
相位迭代过程中粗模型参数集及细模型参数集分别见表4、表5。
表4 粗模型参数集
相位分布/rad 第一次迭代 第二次迭代 第三次迭代
1 0.481 0.458 0.437
2 0 0 0
3 1.13 0.985 0.95
4 2.7 2.9 2.82
5 0 0 0
6 0 0 0
表5细模型参数集
Figure BDA0004117074630000101
以上内容显示和描述了本设计方法的基本原理、主要特征。除上述实施例外，本发明还可以其他方式实施，凡是采用同等替换或等效变换形成的不需要付出创造性劳动技术方案，均在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种幅相加权串馈微带天线阵列，其特征在于，包括介质基板(1)、覆设于介质基板(1)顶面的微带辐射层以及覆设于介质基板(1)底面的接地板层；所述微带辐射层包括若干微带贴片(2)、连接相邻两个微带贴片(2)的传输馈线(4)以及布置在传输馈线(4)上的馈电结构(3)，所有微带贴片(2)沿介质基板(1)长度方向由一端向另一端逐一布置，构成天线阵列；所述天线阵列关于位于中间位置处的传输馈线(4)两边对称设置；所述天线阵列内布置一个馈电结构(3)，馈电结构(3)布置在天线阵列位于中间位置处的一个传输馈线(4)上，该馈电结构(3)两端到两个微带贴片(2)之间的传输馈线(4)长度不等，且相差的长度需实现180°相位差；所述天线阵列内的微带贴片(2)激励产生辐射，通过调整微带贴片(2)宽度实现阵列幅度加权；所述天线阵列内的传输馈线(4)将微带贴片(2)连接起来，调整传输馈线(4)长度实现阵列相位加权。
2.根据权利要求1所述的幅相加权串馈微带天线阵列，其特征在于，所述天线阵列的幅度加权方法为：将微带贴片的宽度按照归一化幅度比进行等比例赋值。
3.根据权利要求1所述的幅相加权串馈微带天线阵列，其特征在于，传输馈线(4)为U型传输馈线。
4.根据权利要求3所述的幅相加权串馈微带天线阵列，其特征在于，所述天线阵列的相位加权通过调节U型传输馈线长度来实现，具体方法为：
将微带辐射层分为与阵元个数相同的若干个分析模块，若干个分析模块关于位于中间位置处的传输馈线(4)两边对称设置，定义传输馈线(4)一边的分析模块自中间向外分别为分析模块1、分析模块2、……分析模块i，i为正整数，i＝N/2；N为阵元个数；
每个分析模块相位由微带贴片(2)的尺寸以及U型传输馈线的长度共同决定，利用阵中相位提取模型读取各个分析模块相位值；
当天线阵列中目标相位分别为
Figure FDA0004117074620000011
自中间向外各分析模块所需实现相位分别为：
Figure FDA0004117074620000012
固定微带贴片(2)的尺寸不变，调节U型传输馈线的长度，各分析模块得到所需相位。
5.根据权利要求1所述的幅相加权串馈微带天线阵列，其特征在于，所述馈电结构(3)采用同轴电缆，在同轴电缆的探针上方加载一个圆形金属片调节阻抗匹配；调节探针所连的两根微带线的长度差，使左右两边的贴片同相激励。
6.根据权利要求5所述的幅相加权串馈微带天线阵列，其特征在于，所述天线阵列上对紧靠馈电结构(3)的两个微带贴片(2)上开槽(5)，位于中间位置处的U型传输馈线的两端插入开槽(5)内。
7.根据权利要求1-6所述的幅相加权串馈微带天线阵列的任意幅度相位的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.建立粗模型：给定阵元个数N、阵元间距0.5λ，按以下公式计算天线方向图：
Figure FDA0004117074620000021
S2.得到粗模型最优解：利用优化算法，优化阵列单元的幅度和相位，使粗模型产生目标方向图，该幅相数据为粗模型的最优解；
S3.建立细模型：将全波仿真软件中的天线模型作为细模型；
S4.提取参数：利用优化算法，使粗模型的结果逼近细模型的结果，得到粗模型中阵列单元的幅相；
S5.更新雅克比矩阵，同时获取新细模型设计参量，代入细模型中仿真验证，若此时细模型响应仍未达到设计指标，则重复迭代，直至细模型响应满足设计指标要求。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117423994A (zh) * 2023-12-15 2024-01-19 北京木牛领航科技有限公司 一种满足特定空域覆盖需求的毫米波雷达天线

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