CN118431777B - 一种面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法，包括：获取天线阵列的增益，根据天线阵列的增益，得到天线单元个数及单元间距；获取天线最大扫描角度，根据天线单元个数及天线最大扫描角度计算天线单元的波束偏移角度；基于波束偏移角度，得到相邻单元间的相位差；根据天线单元个数、单元间距、波束偏移角度及相位差，对天线进行设置，并调整天线单元的馈电幅度以生成面向宽角波束扫描的异构天线阵列。

Description

一种面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法。

背景技术

天线是无线电设备发射或接收电磁波的核心元器件之一，被广泛应用于移动通信、无人驾驶、智能交通、广播、电视、导航、定位、电子对抗、物流和仓储等领域。天线单元设计性能指标包括端口反射系数、增益、前后比和辐射方向图等。相控阵天线是能高速扫描的同时又能多功能工作的综合天线，它是一种以阵列天线为基本架构，配合移相器来实现波束在特定空域扫描的一种天线。相控阵天线波束的扫描由计算机控制，具有很大的灵活性，因此天线波束在空间的扫描几乎是无惯性的。另外，现代无线通信系统为了实现全空域范围覆盖的同时减少系统的天线阵列的数量以及成本，需要天线阵列具有较宽的波束扫描范围（≥60°），因此，宽角扫描阵列是现在天线研究的重点与热点。

在天线阵列宽角扫描技术的探索中，目前存在两种主流方法。第一种传统机械扫描方法通过机械辅助和相位补偿的方式，旋转搭载天线的平台，以弥补单一平面扫描角度的限制，从而实现全空间的扫描。然而，这种方式在实际工程应用中并不理想。科研人员的目光逐渐转向阵列和天线单元本身，他们发现天线单元的3dB波束宽度与阵列天线的排布方式对扫描角度有着显著影响。特别是天线的3dB波束宽度，被认为是制约相控阵扫描角度的关键因素。因此，另一种方法就是拓宽天线的半功率波束宽度。目前，构建宽波束天线单元主要有两种方法：一种是设计具有特殊结构的天线单元；另一种是通过方向图重构，使天线单元在不同区域均具备辐射方向图，从而构建联合宽波束天线单元。根据电磁叠加原理，阵列的辐射方向图等于单元辐射方向图乘以阵因子。如果阵列按半波长布阵时，阵因子在从边射方向扫描到端射方向的过程中，增益保持定值，但普通贴片天线单元在近端射方向时，阵列增益下降严重，俩者相乘导致阵列在近端射方向时增益急剧降低，限制了阵列的扫描角度。因此，增强天线单元在近端射方向的增益成为研究重点。尽管基于宽波束天线单元的相控阵天线实现了宽角扫描，但它也存在诸多缺点。例如，随着扫描角度的增大，阵列的旁瓣电平会升高，而在近端射方向时，阵列增益会严重下降。过高的旁瓣电平会干扰主瓣接收信号，影响相控阵天线的性能。传统的幅相综合方法虽然可以抑制旁瓣电平，但难以完全消除。为了避免栅瓣的出现，人们通常会减小阵列单元之间的距离，对天线单元进行小型化设计。然而，这样做会减小阵列的辐射口径，降低阵列增益，不利于实际应用。因此，对于天线阵列宽角扫描技术的进一步研究和优化，仍是一个具有挑战性的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法，包括：

获取天线阵列的增益，根据天线阵列的增益，得到天线单元个数及单元间距；

获取天线最大扫描角度，根据天线单元个数及天线最大扫描角度计算天线单元的波束偏移角度；

基于波束偏移角度，得到相邻单元间的相位差；

根据天线单元个数、单元间距、波束偏移角度及相位差，对天线进行设置，并调整天线单元的馈电幅度以生成面向宽角波束扫描的异构天线阵列。

可选的，其中所述天线单元呈二维阵列，所述二维阵列对称摆放，仅有一个天线单元设置于0°波束偏移角度，所述单元个数为奇数。

可选的，波束偏移角度的计算过程包括：

根据天线单元个数N，计算相邻单元间的偏移角度差，为最大扫描角度；

根据偏移角度差计算天线单元的波束偏移角度，其中k为天线单元的标号。

可选的，所述相邻单元间的相位差为：，其中，，d为单元间距，为天线阵列的扫描角度与x轴夹角，为波长。

可选的，单元间距等于0.7倍波长。

可选的，所述天线单元为倾斜偶极子天线单元。

可选的，天线最大扫描角度对应的扫描范围为±90°。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

1.本发明提出了一种简便、扫描增益稳定的面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法。与现有技术相比，本发明利用多波束叠加实现宽角扫描，理由物理倾斜单元得到倾斜单元波束以实现对宽角扫描角度覆盖，不需要拓宽天线单元方向图，极大降低组阵难度，同时提高天线阵列在扫描过程中的扫描角度和增益稳定性。

2.本发明提出的异构天线阵列设计方法利用多个波束偏移单元实现宽角扫描，对天线单元3dB波束宽度没有苛刻的要求，天线单元的选择有更多可能；且在单元间距方面，相比于现有方法也有更大灵活性，为天线阵列设计提供更多灵活性。

3.本发明提出了一种简单的、系统的、可靠的、易于研发人员掌握的异构天线阵列设计方法。为天线设计人员提供了完整的宽角波束扫描异构阵列设计步骤，为宽角扫描天线阵列设计提供指导。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的相位差计算公式原理示意图；

图2为本发明实施例的方法原理示意图；

图3为本发明实施例的流程图；

图4为本发明实施例的异构天线阵列示意图；

图5为本发明实施例的天线阵列扫描到0°的辐射方向图；

图6为本发明实施例的天线阵列扫描到-22.5°的辐射方向图；

图7为本发明实施例的天线阵列扫描到-45°的辐射方向图；

图8为本发明实施例的天线阵列扫描到-67.5°的辐射方向图；

图9为本发明实施例的天线阵列扫描到-90°的辐射方向图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本发明提出了一种简便的，扫描增益稳定且易于科研人员掌握的新的面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法。提出方法将天线单元物理倾斜构成异构天线阵列，通过所需天线阵列增益确定天线单元的个数，并用所需最大扫描角度算出每个单元倾斜的角度。利用公式计算出单元间的馈电相位差，得出符合扫描性能的天线阵列。与现有方法相比，本发明利用物理倾斜实现了单元方向图的倾斜，使天线阵列可以在所需扫描角度有足够的增益，不需要拓展单元的波束宽度，极大降低了宽角波束扫描天线阵列的设计难度。由于本方法使用主波束倾斜的方法实现在扫描角度的增益，所以天线阵列实现的扫描角度的增益具有一致性。其它现有实现宽角扫描天线阵列的方法在单元间距增大时，增益下降较多且严重限制扫描角度，而单元间距过小又会影响单元间耦合。本方法设计的宽角扫描异构天线阵列很好的解决这个问题，且在一定范围内，单元间距越大，所实现的扫描角度就越大，为宽角扫描天线阵列设计提供更多可能性，从以下几个方面进行描述。

1.本发明通过倾斜天线单元以实现所需的波束倾斜，具体实施为：根据天线阵列所需的总增益计算得出需要的天线单元，用宽角扫描天线阵列所要达到的最大扫描角度以及天线单元个数算出相邻单元的平均倾斜角度差，以达到天线阵列在扫描角度范围内增益的稳定性。该技术方案优点在于可以简便、快速的确定单元个数，单元倾斜角度和组阵形式。

2.本发明利用多个单元倾斜波束叠加实现天线阵列宽角扫描，具体实施为：将单元倾斜到一定角度得到需要倾斜波束，将多个不同倾斜波束单元组阵以实现天线阵列对扫描角度的全覆盖。

3.本发明计算每个单元的馈电相位，具体实施为：利用公式计算出相邻单元间的相位差以提高阵列扫描增益，调整单元馈电幅度以降低阵列扫描过程中副瓣。

计算相邻天线馈点相位差公式。如图1所示，其中表示天线接收电磁波与水平面的夹角，由于模拟无限远条件下的天线，所以电磁波到阵列单元的路径平行，则表示相邻单元间接收电磁波的波程差。所以只需算出的值，然后根据公式(2)算出对应的相位差，并对单元设置相应的相位差，使两个单元在水平偏角处的远场方向图相互叠加，即可得到最大增益，表示线阵扫描到的角度与x轴夹角。由图1所展现原理可得公式：

（1）

（2）

4.计算馈电幅度公式。设有N(N=2M+1)个单元组成线阵，则馈电激励幅度分布应满足：

，

式中，N表示单元个数，M表示中间单元单侧单元个数，n=1,2,…，M+1；n=1时，=2；n≠1时，=1。其中，I₁表示最大馈电幅度，一般对应扫描到某角度时对应的单元（比如扫到67.5°，则最大馈电幅度应在物理倾斜67.5°的单元上），I₂、I₃…、I_n依次表示馈电最大单元两侧第n个单元的馈电幅度（比如I₁是倾斜67.5度单元馈电幅度，则I₂表示倾斜90度和倾斜45度的两个单元的馈电幅度），q表示从第n个单元开始到第M+1个单元中第q个单元，为常数，根据n的数值进行调整，n表示最大馈电单元开始第n个单元。x ₀表示辅助参数，其中，，其中R为主瓣最大值与副瓣最大值的比值，若设计的阵列需要最低旁瓣电平为adB，则20log₁₀R=a，可求取R的数值。

对本发明上述技术方案进行详细阐述：

本发明提出了一种面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法，其核心思想为利用对天线单元的物理倾斜得到在二维平面内的单元波束倾斜，通过对这些不同倾斜角度波束的天线单元进行规则排列，覆盖天线阵列所需波束扫描的角度范围；通过调整单元馈电幅度和相位达到理想的波束扫描性能。该方法流程图如图3所示，其具体实施步骤如下。

步骤一：确定波束扫描天线阵列需要扫描的最大扫描角度；根据所需天线阵列的增益确定线阵规模，如：单元个数N（N为奇数；假设中间单元右边有M个单元，由于阵列对称摆放，则N=2M+1）、单元间隔d；

步骤二：确定每个单元波束偏移角度，在时有主波束，在时有最大偏移主波束，在到之间有平均分布的主波束；由于在到之间共有(N-1)/2个单元间隔，则相邻单元偏移角度差；由此可得中间单元主波束在方向，波束正（负）角度偏移方向单元S_k主波束方向分别在+（S_k表示从中间单元开始第k个单元）；

步骤三：实现波束偏移，对天线单元进行物理倾斜实现所需角度的波束偏移；

步骤四：将单元按波束倾斜角度规则排放，使其组成阵列角度覆盖±；

步骤五：根据公式(1)计算出天线阵列扫到对应角度时相邻单元间的相位差，从而得到满足预设性能的宽角扫描能力。

以下为具体实例的详细实施步骤。

本实例所采用的天线单元模型是一个倾斜偶极子天线单元，将9个相同单元组成线阵，单元分别倾斜=-90°、-67.5°、-45°、-22.5°、0°、22.5°、45°、67.5°和90°，以0.7个波长间距组阵（表示与空间下三维坐标系正向z轴夹角）；该实例利用本发明设计方法得到的阵列能够在二维平面实现±90°扫描且每个角度增益较为稳定。具体步骤如下：

步骤一：所需天线阵列需要11dB的增益，根据公式G_总=10lgM+G_单可粗略计算单元个数，其中M是所需单元个数即中间单元单侧单元个数，G_总为阵列增益，G_单是单元增益。由于物理倾斜的关系，中心单元左侧的单元对右侧波束扫描贡献较小，所以一侧需要M个单元，阵列共有2M+1个单元。本实例使用单元增益6dB，阵列增益11dB,可粗略计算出一侧需要4个单元，阵列需要9个单元。为了降低单元间耦合，单元间距设为0.7个波长。组成线阵如图4所示；

步骤二：由于需要满足±90°的扫描范围，根据公式90°/(（9-1）/2)得出相邻单元间倾斜角度差为22.5°；且在方向需由主波束，因此9个单元分别倾斜=-90°、-67.5°、-45°、-22.5°、0°、22.5°、45°、67.5°和90°，以0.7个波长间距组成线阵，具体阵列如图2所示。

步骤三：组成线阵满足单元波束覆盖从+90°到-90°的波束扫描范围。

步骤四：通过公式(1)和公式(2)计算出每个单元间的馈电相位差：单元间距为为天线工作波长)，则相邻单元间相位差为（其中表示线阵扫描到的角度与x轴即水平线夹角），得出在天线阵列扫到-90°、-67.5°、-45°、-22.5°、0°、22.5°、45°、67.5°和90°时相邻单元间的馈电相位差分别为-252°、-232.8°、-178.2°、-96.4°、0°、96.4°、178.2°、232.8°和252°。

步骤五：通过上述公式计算馈电幅度，降低副瓣，提高增益；得到能够实现±90°宽角扫描的天线阵列，具体结果如图5-9所示（图5-9分别表示天线阵列扫描到0°、-22.5°、-45°、-67.5°和-90°的辐射方向图，由于天线阵列结构对称，两侧方向图呈现镜像，可满足±90°扫描）扫描到不同角度时的增益和副瓣抑制如表1所示，表1为本发明方法设计实例效果表。

表1

阵列扫描角度(°)	0	22.5	45	67.5	90
						增益(dB)	11.59	11.28	11.08	11.07	9.77
副瓣抑制(dB)	20.98	11.48	11.6	10.77	9.63

该实例说明了该方法不仅能实现天线阵列宽角扫描性能，还能保证每个扫描角度时的方向图稳定，而且有效增大了宽角扫描天线阵列单元间距。除此以外，本发明方法是一个简单、系统、可靠、易于研发人员掌握的宽角波束扫描异构天线阵列设计方法，为天线设计人员提供了完整的宽角波束扫描异构天线阵列设计步骤。

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 (4)

1.一种面向宽角波束扫描的异构天线阵列设计方法，其特征在于，包括：

获取天线阵列的增益，根据天线阵列的增益，得到天线单元个数及单元间距；

天线单元个数的计算过程为：

G_总=10lgM+G_单，其中M是中间单元单侧天线单元个数，G_总为天线阵列的增益，G_单是单元增益，N=2M+1，N为天线单元个数；

获取天线阵列的最大扫描角度，根据天线单元个数及天线阵列的最大扫描角度计算天线单元的波束偏移角度；其中波束偏移角度为对天线单元进行物理倾斜实现波束偏移的所需角度；

基于波束偏移角度，得到相邻单元间的相位差；

根据天线单元个数、单元间距、波束偏移角度及相位差，对天线进行设置，并调整天线单元的馈电幅度以生成面向宽角波束扫描的异构天线阵列；

其中所述天线单元呈二维阵列，所述二维阵列对称摆放，仅有一个天线单元设置于0°波束偏移角度，所述天线单元个数为奇数；

波束偏移角度的计算过程包括：

根据天线单元个数N，计算相邻单元间的偏移角度差， ₀为最大扫描角度；

根据偏移角度差计算天线单元的波束偏移角度：=±k ₁，其中k为天线单元的标号；

所述相邻单元间的相位差为：=，其中，=d×sin（ ₂），d为单元间距， ₂为天线阵列的扫描角度与x轴夹角，λ为波长。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

单元间距等于0.7倍波长。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述天线单元为倾斜偶极子天线单元。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

天线最大扫描角度对应的扫描范围为±90°。