CN118040342A - 一种用于共形球面阵的天线单元布局方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种共形球面阵天线单元布局的方法，首先根据天线单元增益以及共形球面阵要求的阵列波束增益、波束形状，确定共形球面阵的波束指向与形成该波束的天线单元在辐射主向之间的最大夹角Δψ；其次根据要求的阵列覆盖范围及Δψ，确定其天线单元的分布范围；最后对球坐标系下的共形球面阵，在所确定的θ方向上的天线单元分布范围内，所述范围含边界，以不同的θ角在球面上分别设置若干条纬度线，在所确定的φ方向上的天线单元分布范围内设计每条纬度线上天线单元的分布位置，以使整个共形球面阵中每一对相邻天线单元在其单元方向图交叠点处增益的统计方差低于设定值为目标，结合回溯算法进行天线单元位置迭代排布，以确定天线单元的布局。
Description
技术领域
本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种用于共形球面阵的天线单元布局方法。
背景技术
通过将天线单元按一定的方法排列，可构造出不同维度的阵列天线，获得不同的天线性能。自从相控阵天线问世以来，由于其具有波束分配灵活、赋形方便、扫描速度快，指向精度高等优点，使得阵列天线技术在雷达、通信、电子对抗等领域得到了广泛的应用。共形球面阵可通过波束切换、同时多波束、相控波束等更方便地实现波束全域覆盖，其具有雷达截面小、极化损失小、波束指向不随频率变化发生偏移等诸多优势，近年来得到了越来越多的研究和应用。
与平面阵列天线单元通常采用均匀或对称的布局不同，对于共形球面阵而言，由于球面的特性使得天线单元在球面上难以实现均匀或对称的规则排布，针对共形球面阵上天线单元布局这一问题，人们提出了多种解决方法，目前已有的共形球面阵单元布局方法主要有随机阵、多面体拟合、螺线等，现有技术通常伴随着单元分布均匀性差、技术方案适用场合受限、阵列波束的覆盖区域受限等不同缺陷，带来通用性差、单元的位置参数设计复杂、实现难度大等问题，如何在球面上对天线阵单元分布提供一种快速简单、通用性强、易于实现的设计方法，成为共形球面阵设计的一个重要问题。
发明内容
本发明提出了一种共形球面阵天线单元布局的方法，能够对共形球面阵的天线单元进行优化排布，使共形球面阵在波束覆盖范围内的各个方向上形成的波束具有高度一致性；同时所发明的天线单元布局方法具有构造简单、适用性广、易于实现等优点。
实现本发明的技术解决方案为：一种用于共形球面阵的天线单元布局方法，步骤如下：
步骤1、根据天线单元增益以及共形球面阵要求的阵列波束增益、波束形状，确定共形球面阵的波束指向与形成该波束的天线单元在辐射主向之间的最大夹角Δψ。
步骤2、根据要求的阵列覆盖范围及Δψ，确定其天线单元的分布范围。
步骤3、对球坐标系下的共形球面阵，在所确定的θ方向上的天线单元分布范围内，所述范围含边界，以不同的θ角在球面上分别设置若干条纬度线，在所确定的φ方向上的天线单元分布范围内设计每条纬度线上天线单元的分布位置，以使整个共形球面阵中每一对相邻天线单元在其单元方向图交叠点处增益的统计方差低于设定值为目标，结合回溯算法进行天线单元位置迭代排布，以确定天线单元的布局。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明的用于共形球面阵的天线单元布局方法所形成的天线单元布局，能够使共形球面阵在波束覆盖范围内的各个方向上形成的波束具有高度一致性，波束全域增益变化小。
(2)本发明的用于共形球面阵的天线单元布局方法，对共形球面阵的规模、波束覆盖范围均无特殊限制，对不同球面半径、天线单元数量均可实现连续变化的整数取值，具有广泛的适用性，设计的单元布局所构成的阵列适用于多种技术方案实现全区域波束覆盖。
(3)本发明的用于共形球面阵的天线单元布局方法所形成的天线单元布局在共形球面阵表面上的分布均匀度高。对不同的波束覆盖范围都可方便地实现相对均匀的球面共形阵的天线单元布局设计。
(4)本发明的用于共形球面阵的天线单元布局方法设计的天线单元全部分布在不同θ角的纬度线上，可仅对天线单元进行φ角的坐标位置设计，减少了一个坐标变量的设计，使设计更简单。
(5)本发明的用于共形球面阵的天线单元布局方法不仅适用于共形球面阵设计，可方便地用于其他形式的双弯曲曲面的共形阵设计。
(6)本发明的共形球面阵确定天线单元位置布局的优化方法易于实现。
(7)用本发明的方法设计的共形球面阵由于构造简单而易于加工制造。
附图说明
图1为本发明的天线单元分布示意图。
图2为共形球面阵在θ方向上的波束覆盖范围与天线单元分布范围示意图。
图3为共形球面阵在φ方向上的波束覆盖范围与天线单元分布范围示意图。
图4为实施例1阵列天线单元分布的三维结构图。
图5为实施例1的增益随波束指向的变化。
以上的图中有：1表示不同θ角的纬度线，2表示分布在纬度线上的天线单元，Δψ表示阵列的波束指向与形成波束的天线单元的辐射主向之间的最大夹角，Δθ1表示阵列波束在θ方向上的覆盖范围，Δθ2表示在θ方向上的天线单元分布范围，Δφ1表示阵列波束在φ方向上的覆盖范围，Δφ2表示在φ方向上的天线单元分布范围，Ω表示用于形成具体波束的天线单元的分布范围。
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的一部分实施例，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。
下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
结合图1～图5，一种用于共形球面阵的天线单元布局方法，步骤如下：
步骤1、令球面阵的球心位于O点，垂直于地面指向天顶的方向为z轴，即球坐标中θ＝0的方向，x轴为球坐标中φ＝0的方向，x轴和y轴相互垂直且均平行于大地水平面。根据天线单元增益以及共形球面阵要求的阵列波束增益、波束形状，确定共形球面阵的波束指向与形成该波束的天线单元在辐射主向之间的最大夹角Δψ，从而得出形成该波束的天线单元的分布范围Ω。
步骤2、根据要求的阵列覆盖范围及Δψ，确定其天线单元的分布范围，具体如下：
当阵列波束在θ方向上覆盖范围Δθ1的下限大于Δψ时，在θ方向上天线单元分布范围Δθ2的下限为阵列波束在θ方向上覆盖范围的下限减去Δψ，否则在θ方向上天线单元分布范围Δθ2的下限为0°，当阵列波束在θ方向上覆盖范围的上限小于180°减去Δψ的差时，在θ方向上天线单元分布范围Δθ2的上限为阵列波束在θ方向上覆盖范围Δθ1的上限加上Δψ，否则天线单元分布范围在θ方向上的上限为180°；当阵列波束在φ方向上的覆盖范围Δφ1上限与下限的差值小于360°减去两倍Δψ的差时，则在φ方向上天线单元分布范围Δφ2的下限为阵列波束在φ方向上覆盖范围的下限减去Δψ，在φ方向上天线单元分布范围Δφ2的上限为阵列波束在φ方向上覆盖范围Δφ1的上限加上Δψ，否则天线单元分布范围在φ方向上的下限为0°，上限为360°。
步骤3、对球坐标系下的共形球面阵，在所确定的θ方向上的天线单元分布范围内，所述范围含边界，以不同的θ角在球面上分别设置若干条纬度线1，在所确定的φ方向上的天线单元分布范围内设计每条纬度线上天线单元2的分布位置，以使整个共形球面阵中每一对相邻天线单元在其单元方向图交叠点处增益的统计方差低于设定值为目标，结合回溯算法进行天线单元位置迭代排布，以确定天线单元的布局。
进一步地，在共形球面阵表面上所设置的纬度线1的数量不小于2，且在θ方向上天线单元分布范围内，所述范围含边界。
进一步地，共形球面阵天线单元数量大于纬度线1的数量，天线单元分布在所设置的纬度线1上，且在φ方向上天线单元的分布范围内，所述范围含边界，每条纬度线上至少有1个天线单元。
本发明适用于共形球面阵以外的其它非球面的双弯曲曲面共形阵的设计。
本发明的实施方式，具有天线单元分布均匀、构造简单、适用性广、易于实现的优点，并且能使阵列中天线单元的数量实现连续变化的整数取值，解决了现有方案天线单元分布不够均匀、适用性较窄、天线单元数量不能任意取值的问题。
实施例1
用本发明的方法在半径为270mm的球面上设计了一个共形球面阵的实施例，所设计的共形球面阵波束覆盖范围为15°≤θ≤60°(Δθ1＝45°)，0°≤φ≤360°(Δφ1＝360°)，波束指向与形成波束的天线单元辐射主向之间的最大夹角Δψ为30°，阵列天线单元分布范围为0°≤θ≤90°(Δθ2＝90°)，0°≤φ≤360°(Δφ2＝360°)，实施例1采用了等θ间隔设置的纬度线，使设计更加简便，设计得到的阵列天线单元数为51，图4给出了设计得到的天线单元分布的三维结构图。图5为实施例1在波束覆盖范围内所形成波束的增益随指向角变化的范围。图5中的结果表明实施例1的共形球面阵在15°≤θ≤60°，0°≤φ≤360°的波束覆盖范围内所形成波束的增益随波束指向的变化小于±0.16dB。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并不局限于此，任何本领域的技术人员想到的变化，都应在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于共形球面阵的天线单元布局方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、根据天线单元增益以及共形球面阵要求的阵列波束增益、波束形状，确定共形球面阵的波束指向与形成该波束的天线单元在辐射主向之间的最大夹角Δψ；
步骤2、根据要求的阵列覆盖范围及Δψ，确定其天线单元的分布范围；
步骤3、对球坐标系下的共形球面阵，在所确定的θ方向上的天线单元分布范围内，所述范围含边界，以不同的θ角在球面上分别设置若干条纬度线(1)，在所确定的φ方向上的天线单元分布范围内设计每条纬度线上天线单元(2)的分布位置，以使整个共形球面阵中每一对相邻天线单元在其单元方向图交叠点处增益的统计方差低于设定值为目标，结合回溯算法进行天线单元位置迭代排布，以确定天线单元的布局。
2.根据权利要求1所述的用于共形球面阵的天线单元布局方法，其特征在于：步骤2中，根据要求的阵列覆盖范围及Δψ，确定其天线单元的分布范围，具体如下：
当阵列波束在θ方向上覆盖范围Δθ1的下限大于Δψ时，在θ方向上天线单元分布范围Δθ2的下限为阵列波束在θ方向上覆盖范围的下限减去Δψ，否则在θ方向上天线单元分布范围Δθ2的下限为0°，当阵列波束在θ方向上覆盖范围的上限小于180°减去Δψ的差时，在θ方向上天线单元分布范围Δθ2的上限为阵列波束在θ方向上覆盖范围Δθ1的上限加上Δψ，否则天线单元分布范围在θ方向上的上限为180°；当阵列波束在φ方向上的覆盖范围Δφ1上限与下限的差值小于360°减去两倍Δψ的差时，则在φ方向上天线单元分布范围Δφ2的下限为阵列波束在φ方向上覆盖范围的下限减去Δψ，在φ方向上天线单元分布范围Δφ2的上限为阵列波束在φ方向上覆盖范围Δφ1的上限加上Δψ，否则天线单元分布范围在φ方向上的下限为0°，上限为360°。
3.根据权利要求1所述的用于共形球面阵的天线单元布局方法，其特征在于：在共形球面阵表面上所设置的纬度线(1)的数量不小于2，且在θ方向上天线单元分布范围内，所述范围含边界。
4.根据权利要求1所述的用于共形球面阵的天线单元布局方法，其特征在于：共形球面阵天线单元数量大于纬度线(1)的数量，天线单元分布在所设置的纬度线(1)上，且在φ方向上天线单元的分布范围内，所述范围含边界，每条纬度线上至少有1个天线单元。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的用于共形球面阵的天线单元布局方法，其特征在于：适用于共形球面阵以外的其它非球面的双弯曲曲面共形阵的设计。
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