CN116315676B - 一种相控阵阵面及阵面优化方法 - Google Patents

一种相控阵阵面及阵面优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布一种相控阵阵面及阵面优化方法，包括：天线阵面；所述天线阵面包括M个标准子阵；每个标准子阵包含N个天线阵元；其中，每个标准子阵包含多个延时子阵；每个所述天线阵元均包含一套高精度移相器和衰减器；每个延时子阵均包含一个延时模块。通过本发明的阵面排布优化方法可实现天线在大角度扫描范围下，1.6G通信带宽内波束指向偏差小于0.2°，旁瓣电平小于‑10dB。

Description

一种相控阵阵面及阵面优化方法
技术领域
本发明涉及卫星通信的有源相控阵通信领域，具体涉及一种相控阵阵面及阵面优化方法。
背景技术
对于宽带、宽角扫描的相控阵，由于存在天线孔径渡越时间的限制，相控阵扫描产生色散现象，限制了相控阵的瞬时工作带宽。
为解决上述问题，可采用频率无关的延时线，消除色散。例如，专利“基于色散延时线的相控阵系统”，专利号“CN107024691A”，专利设计采用多级延时线消除相控阵的频率偏移产生的孔径渡越和色散引起的波形失真。但是对于大型相控阵，每个通道均采用时间延时线，不利于系统的高度集成及小型化。为此，考虑采用子阵级的相控阵设计方案，例如专利“基于子阵划分的相控阵时频混合配相设计方法”，专利号“CN201910705786”，专利通过划分多个子阵，对子阵添加延时模块，有效降低了延时线的数量，但是天线扫描方向图存在高旁瓣的现象，无法满足大型相控阵的扫描工作要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：大型相控阵天线宽带、宽角扫描工作时，孔径渡越产生的波束指向偏差问题，尤其是相控阵子阵级添加延时模块时，周期性高旁瓣的问题。
为了解决上述技术的问题，本发明提供，一种相控阵阵面，包括：天线阵面；
所述天线阵面包括M*N个天线阵元；
N个天线阵元组成一个标准子阵；
其中，每个标准子阵包含多个延时子阵。
进一步地，每个所述天线阵元均包含一套高精度移相器和衰减器。
进一步地，每个延时子阵均包含一个延时模块。
一种相控阵阵面的优化方法，包括：步骤1、计算相控阵阵面的空间色散ξ(θ0)和时间色散Τ(θ0)；
步骤2、判断所述空间色散ξ(θ0)和时间色散Τ(θ0)是否符合空间色散ξ(θ0)＜0.25，时间色散Τ(θ0)＜0.5要求，若所述空间色散ξ(θ0)≥0.25和时间色散Τ(θ0)≥0.5，对所述阵面的进行延迟子阵划分；
步骤3、计算相控阵阵面需划分的延迟子阵数NT，按照所述延迟子阵数NT的个数，确定延时单元的排布方式，形成新的相控阵阵面；
步骤4、根据新的阵面排布方式，进行阵面扫描性能仿真，如果不满足副瓣及波束指向精度要求，进行阵面优化排布处理；
步骤5、对新的子阵时间延时量τm和阵元的相位延迟值αn进行计算，控制时间延迟模块、移相器和衰减器，扫描得到整个相控阵阵面的扫描方向图，根据方向图中副瓣抑制和波束指向精度结果，判断确定最终的延迟子阵方案和排布方式。
进一步地，步骤1中、根据相控阵系统阵面尺寸、工作频率、工作带宽和扫描范围，计算阵面的空间色散ξ(θ0)和时间色散Τ(θ0)；
其中，K1、K2为常数，Δf为1/2工作带宽，f0为相控阵中心频率，L为阵面尺寸，λ为中心频率对应的波长，θ0为最大扫描角度。
进一步地，步骤3中、根据阵面面积、相控阵工作带宽和最大扫描角度计算延迟子阵数NT的最小个数；
其中，A为阵面面积，B为相控阵工作带宽，c为光速、K3为常数。
进一步地，步骤4中、根据延迟子阵数NT的数目、扫描角度、阵元间距确定子阵时间延时量τm；
其中，Dx为X轴方向子阵间距，Dy为Y轴方向子阵间距，θ为阵面离轴角，为阵面方位角；
根据扫描角度、阵元间距确定阵元的相位延时量αn；
其中，dx为X轴方向阵元间距，dy为Y轴方向阵元间距，θ为阵面离轴角，为阵面方位角。
本发明的有益效果：
通过设置的相控阵子阵，可实现波束指向优于0.2°，离轴角60°扫描旁瓣电平可控制在-10dB以下。
本发明的相控阵综合考虑延迟延迟子阵数的数目、标准子阵拼接及集成设计布板，便于工程化实施。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用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为旋转延时子阵单元示意图；
图2为基于旋转延时子阵的阵面排布示意图；
图3为基于时延子阵及阵元移相的相控阵天线架构示意图；
图4整阵排布方向示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利，并不用于限制本专利。
实施例一
一种相控阵阵面，其特征在于，包括：天线阵面；
所述天线阵面包括M个标准子阵；
每个标准子阵包含N个天线阵元；
其中，每个标准子阵包含多个延时子阵；
其中，每个所述天线阵元均包含一套高精度移相器及衰减器，每个延时子阵均包含一个延时模块。
实施例二
作为本发明的一个实施案例，假定系统的工作中心频率f0＝20Ghz，工作带宽B＝1.6Ghz，系统阵面尺寸为672mm×448mm,相控阵阵元数为96×64，阵元间距7mm，最大扫描范围角度60°。
一种相控阵阵面的优化方法，包括如下步骤：
S1、根据系统阵面最大尺寸L＝672mm，工作中心频率f0＝20Ghz、Δf＝0.8Ghz和扫描范围θ0＝600，K1＝1.13，K2＝1.46计算阵面的波束空间色散ξ(θ0)和时间色散Τ(θ0)；
其中，空间色散ξ(θ0)＝1.75，时间色散Τ(θ0)＝2.26，空间色散ξ(θ0)＞0.25，时间色散Τ(θ0)＞0.5，计算值不满足要求，进行整个阵面的延迟子阵划分。
S2、根据阵面面积A＝0.15m2，相控阵工作带宽B＝1.6Ghz，K3＝4，最大扫描角度θ0＝600，计算整个相控阵阵面需划分的延迟子阵数NT的最小个数；
计算得到的延迟子阵数NT≥12.8，选取延迟子阵数NT的最小个数为12个进行天线扫描性能仿真。
S3、根据如图1所示的仿真结果，天线扫描方向图产生高的周期性副瓣，对天线阵面采用本专利的优化方法。
其中，本实施例的延迟子阵数NT＝48，每个延时子阵的阵元数为128个，按照4个延时子阵，采用旋转排布的方式构成如图1所示的标准子阵；
S4、按照图1所示的延时单元，按照图2所示的排布方式，构成整个相控阵阵面；
S5、对整个阵面的扫描特性进行研究；根据延迟子阵数NT＝48、阵元间距d＝7mm，按照图2所示的坐标系计算1～48个延时子阵的坐标：(28,56)、(28,168)、(28,280)、(28,392)、(28,504)、(28,616)；(112,28)、(112,84)、(112,140)、(112,196)、(112,252)、(112,308)、(112,364)、(112,420)、(112,476)、(112,532)、(112,588)、(112,644)；
(196,56)、(196,168)、(196,280)、(196,392)、(196,504)、(196,616)；(252,56)、(252,168)、(252,280)、(252,392)、(252,504)、(252,616)；(336,28)、(336,84)、(336,140)、(336,196)、(336,252)、(336,308)、(336,364)、(336,420)、(336,476)、(336,532)、(336,588)、(336,644)；(420，56)、(420,168)、(420,280)、(420,392)、(420,504)、(420,616)；
S6、按照如图3所示的基于时延子阵及阵元移相的相控阵天线架构，每个天线阵元接1路高精度数字移相器，128路天线阵元合成为一个通道端接延时器(Time Delay，TD)；
S7、根据延时子阵坐标，以扫描角度θ＝60°，φ＝0°为例，计算1～48子阵时间延时量τm：81ps、81ps、81ps、81ps、81ps、81ps；323ps、323ps、323ps、323ps、323ps、323ps、323ps、323ps、323ps、323ps、323ps、323ps；566ps、566ps、566ps、566ps、566ps、566ps；727ps、727ps、727ps、727ps、727ps、727ps、970ps、970ps、970ps、970ps、970ps、970ps、970ps、970ps、970ps、970ps、970ps、970ps；1212ps、1212ps、1212ps、1212ps、1212ps、1212ps；
其中，子阵时间延时量τm计算公式为：
S8、根据阵元间距，以扫描角度θ＝60°，φ＝0°为例，计算每个阵元的相位延时量αn；
S9、将子阵时间延时量τm和每个阵元的相位延时量αn进行叠加，得到整个阵面的扫描方向图，如图4所示。
其中，相控阵扫描至60°瞬时带宽1.6G的情况下，天线方向图副瓣小于-10dB，波束指向精度小于0.2°。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种相控阵阵面，其特征在于，包括：天线阵面；
所述天线阵面包括M个标准子阵；
每个标准子阵包含N个天线阵元；
其中，每个标准子阵包含多个延时子阵；
所述相控阵的子阵的优化方法至少包括以下步骤：
步骤1、根据相控阵系统阵面尺寸、工作频率、工作带宽和扫描范围，计算阵面的空间色散ξ(θ0)和时间色散Τ(θ0)；
其中，K1、K2为常数，Δf为1/2工作带宽，f0为相控阵中心频率，L为阵面尺寸，λ为中心频率对应的波长，θ0为最大扫描角度；
步骤2、判断所述空间色散ξ(θ0)和时间色散Τ(θ0)是否符合空间色散ξ(θ0)＜0.25，时间色散Τ(θ0)＜0.5要求，若所述空间色散ξ(θ0)≥0.25和时间色散Τ(θ0)≥0.5，对所述阵面的延迟子阵进行划分；
步骤3、计算相控阵阵面需划分的延迟子阵数NT，所选延迟子阵为按照4个延时子阵，采用旋转排布的方式构成的非相位中心对称子阵，则通过延迟子阵旋转排布破坏阵列的相位中心的周期性，从而解决阵列的大角度扫描高周期性副瓣问题，再通过延迟子阵拼接成标准子阵，形成新的相控阵阵面；
步骤4、根据新的阵面排布方式，进行阵面扫描性能仿真，如果不满足副瓣及波束指向精度要求，进一步优化阵面排布；
步骤5、对新的子阵时间延时量τm和阵元的相位延时量αn进行计算，控制时间延迟模块、移相器和衰减器，扫描得到整个相控阵阵面的扫描方向图，根据方向图中副瓣抑制和波束指向精度结果，判断确定最终的延迟子阵方案和排布方式；
每个所述天线阵元均包含一套高精度移相器和衰减器；
每个延时子阵均包含一个延时模块；
通过设置的相控阵子阵，可实现波束指向优于0.2°，离轴角60°扫描旁瓣电平可控制在-10dB以下。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵阵面，其特征在于，包括：
步骤3中、根据阵面面积、相控阵工作带宽和最大扫描角度计算延迟子阵数NT的最小个数；
其中，A为阵面面积，B为相控阵工作带宽，c为光速、K3为常数。
3.根据权利要求2所述的一种相控阵阵面，其特征在于，包括：
步骤4中、根据延迟子阵数NT的数目、扫描角度、阵元间距确定子阵时间延时量τm；
其中，Dx为X轴方向子阵间距，Dy为Y轴方向子阵间距，θ为阵面离轴角，为阵面方位角；
根据扫描角度、阵元间距确定阵元的相位延时量αn；
其中，dx为X轴方向阵元间距，dy为Y轴方向阵元间距，θ为阵面离轴角，为阵面方位角。
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