CN117634115B - 一种小型化天线阵列方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型化天线阵列方法，包括：根据天线阵列生成辐射方向图函数，对所述辐射方向图函数进行转换，获取辐射方向图的展开式，并根据展开式获取倾斜子波束个数，对所述倾斜子波束个数进行调整，根据调整后的倾斜子波束个数，对扫描参数变量进行优化，并根据优化后的扫描参数变量对天线阵列进行调整，生成小型化天线阵列。通过上述技术方案，本发明利用空间倾斜的子波束，弥补天线阵列中不同天线单元因物理位置不同而产生的空间相位差，并对天线相关阵元尺寸参数进行调整以实现天线阵列小型化的效果。

Description

一种小型化天线阵列方法

技术领域

本发明涉及天线阵列技术领域，特别涉及一种小型化天线阵列方法。

背景技术

天线阵列因具有多波束、高增益、高方向性、波束调向、波束扫描和波束赋形等优点被广泛应用于蜂窝通信系统、卫星通信系统、汽车自动驾驶感知系统、反导雷达系统和空中交通雷达管制系统等。天线阵列由几个几十个甚至成百上千天线单元组成。然而，由于射频通道数较多，天线和T/R（收发）组件较多，这些天线阵列仍然面临成本高、体积大、重量重和系统鲁棒性有限等问题。因此，有必要在保证天线阵列性能基本不变的前提下设计低成本、小尺寸的天线阵列。

现有设计低成本、小型天线阵列的技术主要有两种。一种是使用由小规模天线阵列作为馈源的超表面透镜结构。该技术使用的射频通道数较少，给出了一种低成本天线阵列设计方法。然而，由于大规模超表面结构的引入，天线阵列不仅横向和纵向尺寸增加，其设计难度也增加了很多，不利于其在工业界推广使用。另一种是天线阵列共孔径技术。该技术通过将多功能天线阵列集成在一个共享区域中，可以有效地节省物理尺寸。然而，该技术并没有解决天线阵列射频通道数较多的问题；同时还加剧其他技术难度，例如同频/异频去耦。此外，还有其他的小型天线阵列技术，例如基于高分辨率多层印刷电路板技术设计了一种具有高旁瓣抑制的网格天线阵列，实现了17.2%的阵列宽度小型化。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种小型化天线阵列方法，利用空间倾斜的子波束，弥补天线阵列中不同天线单元因物理位置不同而产生的空间相位差，并对天线相关阵元尺寸参数进行调整以实现天线阵列小型化的效果。

为了实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：一种小型化天线阵列方法，包括：

根据天线阵列生成辐射方向图函数，对所述辐射方向图函数进行转换，获取辐射方向图的展开式，并根据展开式获取倾斜子波束个数，对所述倾斜子波束个数进行调整，根据调整后的倾斜子波束个数，对扫描参数变量进行优化，并根据优化后的扫描参数变量对天线阵列进行调整，生成小型化天线阵列；

其中扫描参数变量包括天线阵列的阵元间距、阵元倾斜角度及阵元尺寸参数；

对扫描参数变量进行优化的过程包括：

对所述天线阵列进行建模，生成目标方向图，其中天线阵列初始的阵元间距为半波长；预先设置所述天线阵列的波束宽度为半功率波束宽度；

根据预先设置的波束宽度对所述倾斜子波束的个数进行调整，其中，当所述预先设置的波束宽度为半功率波束宽度时，对所述倾斜子波束的个数进行减半，生成调整后的波束个数；

根据调整后的波束个数，将天线阵列中的阵元个数调整为调整后的波束个数，并通过仿真软件对扫描参数变量进行参数扫描，并对扫描参数变量进行仿真，实时获取扫描参数变量对应的增益方向图，当所述增益方向图与所述目标方向图在波束宽度内吻合时，保留对应扫描参数变量，生成优化后的扫描参数变量。

可选的，所述辐射方向图函数的获取过程包括：

其中和/>分别表示第i个单元馈电和空间位置（i=1,2）,k表示自由空间波数,表示第i个单元有源方向图，上标j为虚数单位，e为自然常数，/>为辐射方向图函数，所述天线阵列中的阵元等幅同相馈电。

可选的，对所述辐射方向图函数进行转换的过程包括：

对所述辐射方向图函数进行简化：

其中辅助参数a=k(d/2)，d为电流元间距，θ为辐射方向；

根据三角函数泰勒展开式对简化后的函数进行展开：

其中、/>分别为是第一倾斜角度及第二倾斜角度，所述第一倾斜角度及第二倾斜角度对应的cos函数个数为倾斜子波束个数。

可选的，其中第一倾斜角度，第二倾斜角度。

可选的，其中所述天线阵列中的阵元即天线单元采用平面八木天线，其中所述平面八木天线由三个引向器及一个反射器组成，其中反射器与引向器之间设置有半波偶极子，其中阵元尺寸参数包括引向器长度、引向器与半波偶极子之间的距离及半波偶极子的长度。

可选的，小型化天线阵列中的阵元间距为0.2λ，所述天线总尺寸为0.56λ。

本发明具有如下技术效果：

1.本发明提出了一种新的天线阵列小型化方法，为天线阵列的小型化提供了一种新的思路和方法。

2.本发明方法的理论推导中，对方向图函数采用泰勒级数展开。由于误差是皮亚诺余项，所以该方法是一种高精度的数值综合方法。

3.本发明提出的方法可以为大规模天线阵列的设计提供成本低、射频通道数少、馈电网络简单、通信系统损耗小技术。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的原理示意图；

图2为本发明方法数值验证图；

图3为本发明方法中阵元阵间距与子波数倾斜角度关系图；

图4为本发明方法实例天线阵列分布图与小型化阵列结构图；

图5为本发明方法实例仿真验证图；

图6为本发明方法流程图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

为了解决在现有技术中存在的问题，本发明提供了如下方案：

本发明提出一种新型的低成本小型化天线阵列方法。在此实现中，使用多对对称和倾斜波束来合成天线阵列总辐射方向图。本发明方法的核心思想是利用空间倾斜的子波束，弥补天线阵列中不同天线单元因物理位置不同而产生的空间相位差。本发明的内容如下：（1）提出一种天线阵列中消除天线单元因物理位置不同而产生的空间相位差方法，为天线阵列小型化提供理论基础和技术指导，（2）在保证二元阵增益和波束宽度等阵列性能参数基本不变的情况下，设计了小型天线阵列，为大规模天线阵列的小型化提供技术指导。

具体包含以下相关内容：

如图6所示，本发明提供了如下技术方案：一种小型化天线阵列方法，包括：根据天线阵列生成辐射方向图函数，对所述辐射方向图函数进行转换，获取辐射方向图的展开式，并根据展开式获取倾斜子波束个数，对所述倾斜子波束个数进行调整，根据调整后的倾斜子波束个数，对扫描参数变量进行优化，并根据优化后的扫描参数变量对天线阵列进行调整，生成小型化天线阵列。

1.本发明提出一种消除天线单元因物理位置不同而产生的空间相位差方法，为天线阵列小型化提供理论基础和技术指导。具体实施为，将电偶极子二元阵整体辐射方向图通过泰勒级数展开为两对倾斜子波束，这两对倾斜子波束可在较小误差范围内实现对二元阵方向图的逼近。其核心思想在于三角函数可通过有限项泰勒级数求和实现较小误差逼近。

2.本发明提出一种天线阵列小型化方法，为大规模天线阵列的小型化提供技术指导。具体实施为，首先利用倾斜子波束补偿天线单元空间相位差，再利用多对倾斜子波束实现对天线阵列性能参数的逼近。其核心思想在于多对倾斜子波束可实现对天线阵列总辐射性能的逼近。

3.本发明在保证二元阵增益和波束宽度等阵列性能参数基本不变的情况下，设计了小型天线阵列。具体实施为，将间距为半波长的二元阵阵列辐射性能作为参考方向图，利用辐射性能可调的一对倾斜子波束实现对参考方向图的逼近。

结合相关附图对上述内容进行说明：

由于电流元是最基本的辐射单元，其辐射场最简单，辐射特性是所有电磁辐射源所共有的，可通过对电流元辐射场积分获得该辐射源的远区辐射场。

由电磁场理论可知，电流元远区辐射场为：

(1)

其中，I为馈电源电流，d为间距、l为长度、k表示自由空间波数，λ为波长，Z为阻抗，r为原点到场点距离，θ为正向z轴夹角即辐射方向，为正向x轴夹角，/>为θ方向的单位矢量，/>为，/>方向的单位矢量，e为自然常数，j为虚数单位；

令，可得电流元YOZ面辐射场/>为：

(2)

由于场强最大值发生在方向，则归一化电流元YOZ面方向图/>为：

(3)

归一化电流元YOZ面场强方向图为：

(4)

其相位方向图函数为常数函数，即/>，这与球面波相位信息一致。

为了清楚阐述本发明提出的补偿不同阵元位置产生的空间相位差方法，本发明以电流元组成的二元阵即二元天线阵列为例，如图1所示。

根据天线阵列方向图乘积定理，该二元阵在YOZ面上辐射方向图函数为：

(5)

其中和/>表示第i个单元馈电和空间位置（i=1,2）,k表示自由空间波数,/>表示第i个单元有源方向图,/>为二元阵总的辐射方向图函数。两个电流元即阵元间距为d。假设两个电流元等幅同相馈电。

则该二元阵在YOZ面上方向图函数简化为：

(6)

其中辅助参数a=k(d/2)，d为阵元间距，θ为辐射方向。

根据三角函数泰勒展开公式可得：

(7)

其中第一倾斜角度,第二倾斜角度/>,且误差为/>等价无穷小，即/>。

从上述推导结果可以看出，该二元阵列总的辐射方向图可以由四个子波束的叠加来逼近。对于倾斜子波束的特性观察如下：

（1）子波束（基函数）成对出现；

（2）子波束（基函数）为倾斜波束，其主波束辐射方向取决于阵元间距；

（3）子波束（基函数）的半功率波束宽度不同。

其倾斜角度与方向性因子拟合的数值逼近效果如图2所示。从图2所示逼近效果可验证该方法精确性。之所以能实现如此精确的逼近，其原因在于二元阵两个单元因阵元位置不同产生的空间相位差可通过两对倾斜子波束得到补偿，这不难从表达式，/>中看出，其中/>、/>是第一倾斜角度及第二倾斜角度，a=k(d/2)中d是指阵元间距。二元阵所产生的辐射方向图可由两对倾斜子波束的辐射方向图进行合成，这给天线阵列的小型化提供了新的思路。

图3给出了子波束倾斜角度与阵元间距的关系，其中纵轴y是子波束倾斜角度，横轴x是指阵间距,例如横轴是2的时候代表阵间距d为/>。

如果假设天线阵元是全向天线，则类似上述推导过程：

(8)

类似上述结论，如果两个阵元是全向天线，全向天线中等式下的cos（θ）为1，进行省略，其阵列总方向图等效于一个全向天线和一个窄波束天线方向图的叠加，而叠加系数取决于二元阵列单元间距。

为了验证本发明方法在实际天线阵列小型化设计过程中应用的有效性，以上方结论中的一个天线阵列的辐射方向图，可根据多个成对的倾斜子波束进行合成，为优化指导方向基础，下面以平面八木天线组成的二元阵为例，来验证提出本发明方法的可行性（即同时考虑天线单元方向图的幅度、相位、极化和天线单元间互耦）。

实施例：本实例所采用的是一个二元阵即二元天线阵列，该天线阵列由两个天线单元构成，天线单元采用平面八木天线，两个天线单元分别位于介质基板的两侧，以便缩小间距时不会出现交叠，模型如图4所示。将两个天线单元沿着y轴间距摆放，仿真得到该阵间距下yoz平面的增益方向图，以下称为目标方向图。然后缩小阵元间距d，最终通过优化L1、L2和L3得到该阵元间距下yoz平面的增益方向图，并且可以从图5中可以看出，调整前与调整后的阵元间距下半功率波束宽度内增益方向图基本吻合。具体步骤如下：

步骤1：对二元阵进行建模，天线单元是一个平面八木天线，由三个引向器和一个反射器组成。初始的阵元间距，工作频率为8.425GHz，仿真得到该阵列的yoz平面的增益方向图。

步骤2：利用本发明方法，首先根据上述推导过程确定天线单元的个数，为了减少天线单元个数和成本，只需保证在半功率波束宽度内拟合即可，所以将4个天线单元调整为2个，对两个天线单元进行倾斜，利用倾斜子波束对二元阵两个单元因阵元位置不同产生的空间相位差进行补偿，首先将阵元间距d，天线单元的倾斜角度及引向器长度L1、引向器与半波偶极子之间的距离L2、半波偶极子的长度L3作为扫描参数变量，通过仿真软件进行参数扫描分析对扫描参数变量进行优化，在参数扫描过程中以目标方向图为优化目标，当半功率波束宽度内，目标方向图与增益方向图的差值最小时，使参数扫描过程中yoz平面的增益方向图与目标方向图在半功率波束宽度内尽量吻合，记录吻合时对应的扫描参数变量，通过上述方案缩小其阵间距d，并优化L1、L2、L3，从而使得该阵间距下yoz平面的增益方向图在半功率波束宽度内与目标方向图吻合，以实现天线阵列的相关参数的确定。

步骤3：最终优化得到阵间距，天线总尺寸由原来的/>缩小到0.568/>，天线尺寸降低了34.7%。yoz平面的增益方向图两者在半功率波束宽度内基本拟合。

实例采用本发明方法，对一个间距半波长的平面八木二元阵进行小型化，从图5中可以看到在半功率波束宽度内方向图基本拟合，而在半功率波束宽度外方向图不太拟合，原因是按照本发明方法理论推导部分，原本应该是由四个子波束去合成目标方向图，但是为了减少天线单元个数和成本，只需保证在半功率波束宽度内拟合即可，这样说明天线97%能量都按照目标方向辐射。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种小型化天线阵列方法，其特征在于，包括：

根据天线阵列生成辐射方向图函数，对所述辐射方向图函数进行转换，获取辐射方向图的展开式，并根据展开式获取倾斜子波束个数，对所述倾斜子波束个数进行调整，根据调整后的倾斜子波束个数，对扫描参数变量进行优化，并根据优化后的扫描参数变量对天线阵列进行调整，生成小型化天线阵列；

其中扫描参数变量包括天线阵列的阵元间距、阵元倾斜角度及阵元尺寸参数；

对扫描参数变量进行优化的过程包括：

对所述天线阵列进行建模，生成目标方向图，其中天线阵列初始的阵元间距为半波长；预先设置所述天线阵列的波束宽度为半功率波束宽度；

根据预先设置的波束宽度对所述倾斜子波束的个数进行调整，其中，当所述预先设置的波束宽度为半功率波束宽度时，对所述倾斜子波束的个数进行减半，生成调整后的波束个数；

根据调整后的波束个数，将天线阵列中的阵元个数调整为调整后的波束个数，并通过仿真软件对扫描参数变量进行参数扫描，并对扫描参数变量进行仿真，实时获取扫描参数变量对应的增益方向图，当所述增益方向图与所述目标方向图在波束宽度内吻合时，保留对应扫描参数变量，生成优化后的扫描参数变量。

2.根据权利要求1所述的小型化天线阵列方法，其特征在于：

所述辐射方向图函数的获取过程包括：

其中/>和/>分别表示第i个单元馈电和空间位置，其中i=1,2；k表示自由空间波数,/>表示第i个单元有源方向图，上标j为虚数单位，e为自然常数，/>为辐射方向图函数，θ为辐射方向，所述天线阵列中的阵元等幅同相馈电。

3.根据权利要求2所述的小型化天线阵列方法，其特征在于：

对所述辐射方向图函数进行转换的过程包括：

对所述辐射方向图函数进行简化：

其中辅助参数a=k(d/2)，d为阵元间距；

根据三角函数泰勒展开式对简化后的函数进行展开：

其中、/>分别为是第一倾斜角度及第二倾斜角度，所述第一倾斜角度及第二倾斜角度对应的cos函数个数为倾斜子波束个数。

4.根据权利要求3所述的小型化天线阵列方法，其特征在于：

其中第一倾斜角度，第二倾斜角度/>。

5.根据权利要求1所述的小型化天线阵列方法，其特征在于：

其中所述天线阵列中的阵元即天线单元采用平面八木天线，其中所述平面八木天线由三个引向器及一个反射器组成，其中反射器与引向器之间设置有半波偶极子，其中阵元尺寸参数包括引向器长度、引向器与半波偶极子之间的距离及半波偶极子的长度。

6.根据权利要求1所述的小型化天线阵列方法，其特征在于：

小型化天线阵列中的阵元间距为0.2λ，所述天线总尺寸为0.56λ。