CN213184579U - 非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，旨在提供一种能够兼顾非周期阵列，降低设计难度的二维相控阵天线。本实用新型通过下述技术方案实现：在xoy直角坐标系中，从第一象限底面阵列内层的矩形子阵以n≤3为项数，按等差数列进行阶梯层叠阵列向外均匀排布；层叠阶梯的第一外层矩形子阵，子阵内采用矩形栅格、单元间距d进行阵列排布，并且每个矩形子阵以矩形角块对角进行首尾相接，形成边缘不发生重叠的第一外层阶梯子阵；第二外层阶梯子阵的最外层以两个矩形对角首尾相接矩形阵元进行低阶方块无缝层叠，按照阵列中心沿直角方向不同阶梯布阵；整个阵面的其他象限以第一象限镜像对称构成大间距非周期矩形阵列平面阵天线。

Description

非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线

技术领域

本实用新型涉及导航、通信等领域，非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，尤其是阵列单元间距在一个波长以上阵列排布的相控阵天线。

背景技术

由许多相同的单个天线(如对称天线)按一定规律排列组成的天线系统，也称天线阵。俗称天线阵的独立单元称为阵元或天线单元。如果阵元排列在一直线或一平面上，则成为直线阵列或平面阵列。平面相控阵天线是指天线单元分布在平面上，天线波束在方位与仰角两个方向上均可进行相控扫描的阵列天线。由于平面阵多了一组控制方向图的变量，更加灵活通用，可以实现对空间任一点的扫描，因此在雷达和通信领域有广泛的应用。平面阵可划分为行阵和列阵，二者出现栅瓣的条件均为“空间相位差-阵内相位差＝±p2π”，p＝±1，±2，...。相控阵天线通常是由多个在平面或任意曲面上按一定规律布置的天线单元(辐射单元)和信号功率分配/相加网络所组成。由一组离散辐射天线组成的相控阵天线排布的形式是多种多样的，有线阵、面阵、共形阵等。在阵列天线中，单元间距一般取1/2波长，若单元间距过大会在方向图中形成不必要的栅瓣，太小则会使阵列天线单元间的互耦变大，影响天线性能，同时会增加阵列天线的设计难度。相邻单元间距不超过1/2波长的大型相控阵不仅结构复杂，而且造价高昂，严重地限制了相控阵天线的应用。一个平面相控阵天线可以分解为多个子平面相控阵天线或者分解为多个线阵。平面相控阵天线中各天线单元可按矩形栅格形式排列，也可按照三角形栅格形式排列。由M×N个阵元组成的平面相控阵天线，沿 x方向的M个阵元以间距dx均匀排列，单元激励电流的幅度为Im，步进相位为αx；沿y 方向的N个阵元以间距dy均匀排列，激励电流的幅度为In，步进相位为αy，从而形成矩形栅格的平面阵。

众所周知，阵列天线的带宽取决于阵元形式、阵元间距、馈电电流的幅度及相位等因素。针对这个问题，为了使天线造价更低，从而增大天线单元间距(一般都大于一个波长)，相当于减少单元数及相应的T/R组件，且应使相应的相控阵列天线满足所需辐射性能要求，这种阵列可以大大地减少单元数目，实现有限扫描，甚至还可以实现宽角扫描，但是所增大的单元间距超出了常规相控阵栅瓣出现的限定条件，这种相控阵列天线即便在不扫描的情况下其栅瓣的出现也是不可避免的，虽然适当增加阵元间距有利于降低相控阵天线的成本，但是会带来不期望的栅瓣。为改善有源相控阵费效比，增大单元间距、减少有源通道数量是一种较好的设计方式。虽然间距越大，互耦越小，但是栅瓣越大，影响分辨率；间距越小，栅瓣越小，但互耦越大，影响设计。对于固定频率，阵列天线阵元间距过大，会导致栅瓣形成，栅瓣占据天线辐射能量，影响天线增益和效率，减小波束的扫描范围、降低准确度，降低能量的利用率，减小波束的扫描距离。

阵列天线中的非周期结构是指多个阵列单元在排布时相互之间的间距均不相同，利用非周期结构进行布阵的方式有两种：一种是单元级的非周期排布，即对阵列中的每个单元都进行非周期的排布；另一种是子阵级的非周期排布。

相对于单元级非周期结构排布，子阵级非周期结构大大减小了阵面及其他部分的设计难度，并且减少了优化量。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术即间距大于一个波长相控阵天线阵列方向图栅瓣抑制难题，提供一种既能够兼顾非周期阵列优点，又能降低设计难度，具有栅瓣抑制能力和良好和差方向图的非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线。

本实用新型所采用的技术方案是：一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，包括：采用独立T/R模块的阵元，单元数为M×N，其特征在于：在xoy直角坐标系第一象限平面中，从第一象限底面阵列内层的矩形阵元以n≤3为项数，按等差数列第n项＝首项+(n-1)×公差，公差为1的等差数列进行阶梯层叠阵列向外均匀排布；层叠阶梯的第一外层矩形子阵，矩形子阵内单元间距为d进行阶梯阵列排布天线阵面，并且每个矩形子阵以矩形角块对角进行首尾相接，形成边缘不发生重叠的第一外层阶梯子阵；第二外层阶梯子阵以第一外层阶梯子阵同样的矩形子阵，子阵内单元间距为d的形式，按第一外层阵元数+1的方式层叠在第一外层阵元的顶层和每个矩形阵元的矩形边上；第二外层阶梯子阵的最外层则以两个矩形对角首尾相接矩形阵元进行低阶方块无缝层叠，形成的矩形子阵按照阵列中心沿直角方向不同阶梯布阵的非周期阵列；整个阵面其他象限以第一象限为镜像对称，构成大间距非周期矩形阵列平面阵天线。

本实用新型相比于现有技术具有如下有益效果：

本实用新型将平面相控阵天线分解为多个子阵，在xoy直角坐标系第一象限平面中，天线中各天线单元按矩形栅格形式排列，从第一象限底面阵列内层的矩形子阵以n≤3为项数，按等差数列第n项＝首项+(n-1)×公差，公差为1的等差数列进行阶梯层叠阵列向外均匀排布；将阵列其余子阵级非周期结构配合阵内外层阵元的排布组成平面相控阵天线。子阵的相对位移错位、子阵间加间隙及错位、对子阵内取不同的单元间距使整个阵列在子阵级上是非周期排布，在单元级上也呈现非周期排布，对栅瓣起到较好的抑制作用。在增大阵元间距，采用大间距形成的阵列形式下，通过合理的阵面布局，将栅瓣能量分散，矩形大阵列的栅瓣抑制能力效果明显。非周期矩形布阵形式且子阵规模大，对寄生栅瓣的抑制明显。

本实用新型采用子阵内单元间距为d进行阶梯阵列排布天线阵面，并且每个矩形子阵以矩形角块对角进行首尾相接，形成边缘不发生重叠的第一外层阶梯子阵，第二外层阶梯子阵以第一外层阶梯子阵同样的子阵内单元间距d的形式，按第一外层阵元数+1的方式层叠在第一外层阵元的顶层和每个矩形阵元的矩形边上，将大型阵列划分为非均匀邻接子阵，以主旁瓣比作为适应度函数,并对遗传操作增加约束条件，得到具有栅瓣抑制能力的子阵结构，可有效避免天线方向图出现栅瓣，从而有效降低接收机锁定栅瓣而引起误跟踪的概率，提高雷达探测目标的准确性。整个阵列按象限分为4部分，其他象限与第一象限的排布中心旋转对称或轴对称，在设计时只需设计一个象限即可，减轻了设计负担，降低了设计难度。同时，在每个扫描分区内无需改变阵元权值，仅通过子阵级数字波束形成即可完成阵列的波束扫描，这样设计兼顾了阵列天线和差方向图的形成，可得到良好的和差性能。

附图说明

图1为本实用新型二维相控阵天线在一个象限的排布示意图。

图2为图1四个象限排布的二维相控阵天线示意图。

图中：1单元的位置，2子阵的中心位置，①至为象限I中子阵的标号。

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，包括：采用独立T/R模块的阵元，M个矩形子阵，每个子阵内N个单元。xoy直角坐标系第一象限平面中，从第一象限底面阵列内层的矩形子阵以n≤3为项数，按等差数列第n项＝首项 +(n-1)×公差，公差为1的等差数列进行阶梯层叠向外均匀排布；层叠阶梯的第一外层矩形子阵，子阵内采用单元间距为d进行排布，并且每个矩形子阵以矩形角块对角进行首尾相接，形成边缘不发生重叠的第一外层阶梯子阵；第二外层阶梯子阵以第一外层阶梯子阵同样的矩形子阵，子阵内单元间距为d的形式进行阵列排布，按第一外层阵元数+1的方式层叠在第一外层子阵的顶层和每个矩形子阵的矩形边上；最外层则以两个矩形对角首尾相接矩形阵元进行低阶方块无缝层叠，形成M个矩形子阵按照阵列中心沿直角方向不同阶梯布阵的非周期阵列，并以第一象限镜像对称，构成大间距非周期矩形阵列平面阵天线。

参阅图2。在相控阵天线阵列排布中，阵列天线阵面按直角坐标系分为四个象限，象限Ⅰ、象限Ⅱ、象限Ⅲ和象限IV，第一象限Ⅰ中每个矩形子阵以方形边框为子阵，每个象限可以按5、4、4、3、1个矩形子阵数排布17个矩形子阵。17个矩形子阵自下而上分层组成阶梯阵列。四个象限阶梯分层的矩形子阵可以有4×17＝68个阵列子阵，整个四象限阵列4 ×17×16＝1088个单元。

象限Ⅱ、象限Ⅲ和象限IV与第一象限Ⅰ排布镜像对称，形成所需的和波束、方位差波束以及俯仰差波束。每个象限中包括采用非周期原理进行排布的M个矩形子阵，矩形内 N个单元数。M个矩形子阵从阵列天线直角坐标系中心沿x、y轴方向进行排布，排布时兼顾矩形子阵边缘不发生重叠的原则，最终形成非周期相控阵天线阵列。

子阵内单元数目为4×4的矩形栅格形式，单元排布间距d大于一个波长，矩形子阵①～矩形子阵⑩内的单元间距为1-1.266倍波长，矩形子阵是

～矩形子阵

内的单元间距为1.266-1.39倍波长。

在第一象限中，矩形子阵①～矩形子阵⑥中心位置的非周期排布坐标为 (80mm，80mm)、(80mm,240mm)、(80mm,400mm)、(240mm,80mm)、(240mm,240mm)、 (400mm,80mm)；矩形子阵⑦矩形子阵⑩中心位置的非周期排布坐标为(100mm，580mm)、 (260mm，420mm)、(420mm，260mm)、(580mm，100mm)，矩形子阵

～矩形子阵

的距中心位置的非周期排布坐标为(102mm，766mm)、(274mm，618mm)、(446mm， 446mm)、(618mm，274mm)、(766mm，102mm)，矩形子阵

～矩形子阵

非周期排布坐标为(446mm，618mm)、(618mm，446mm)。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，包括：采用独立T/R模块的阵元，阵元数为M×N，其特征在于：在xoy直角坐标系第一象限平面中，从第一象限底面阵列内层的矩形子阵以n≤3为项数，按等差数列第n项＝首项+(n-1)×公差，公差为1的等差数列进行阶梯层叠阵列向外均匀排布；层叠阶梯的第一外层矩形子阵，子阵内采用矩形栅格、单元间距d进行阵列排布，并且每个矩形子阵以矩形角块对角进行首尾相接，形成边缘不发生重叠的第一外层阶梯子阵；第二外层阶梯子阵以第一外层阶梯子阵同样的矩形子阵，子阵内单元间距d的形式，按第一外层阵元数+1的方式层叠在第一外层阵元的顶层和每个矩形阵元的矩形边上；第二外层阶梯子阵的最外层则以两个矩形对角首尾相接矩形阵元进行低阶方块无缝层叠，形成矩形阵元单元按照阵列中心沿直角方向不同阶梯布阵的非周期阵列；整个阵面的其他象限以第一象限镜像对称，构成大间距非周期矩形阵列平面阵天线。

2.根据权利要求1所述的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，其特征在于：在相控阵天线阵列排布中，阵列天线阵面按直角坐标系分为四个象限，象限Ⅰ、象限Ⅱ、象限Ⅲ和象限Ⅳ，第一象限Ⅰ中每个矩形子阵以方形边框为限，每个象限按5、4、4、3、1个矩形子阵排布17个子阵。

3.根据权利要求1所述的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，其特征在于：17个矩形子阵自下而上分层组成阶梯阵列。

4.根据权利要求1所述的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，其特征在于：四个象限阶梯分层的矩形子阵有4×17＝68个，整个四象限阵列4×17×16＝1088个单元。

5.根据权利要求1所述的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，其特征在于：象限Ⅱ、象限Ⅲ和象限Ⅳ与第一象限Ⅰ排布对称形成所需的和波束、方位差波束以及俯仰差波束。

6.根据权利要求1所述的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，其特征在于：每个象限中包括采用非周期原理进行排布的M个矩形子阵，矩形子阵内N个单元。

7.根据权利要求1所述的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，其特征在于：M个矩形子阵从阵列天线直角坐标系中心沿X、Y轴方向进行排布，排布时兼顾矩形子阵边缘不发生重叠的原则，最终形成非周期相控阵天线阵列。

8.根据权利要求1所述的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，其特征在于：子阵内单元数目为4×4的矩形栅格形式，单元排布间距d大于一个波长，矩形子阵①～矩形子阵⑩内的单元间距为1-1.266倍波长，矩形子阵是

～矩形子阵

内的单元间距为1.266-1.39倍波长。

9.根据权利要求1所述的一种非周期矩形阵列排布的二维相控阵天线，其特征在于：在第一象限中，矩形子阵①～矩形子阵⑥中心位置的非周期排布坐标为(80mm，80mm)、(80mm,240mm)、(80mm,400mm)、(240mm,80mm)、(240mm,240mm)、(400mm,80mm)；矩形子阵⑦矩形子阵⑩中心位置的非周期排布坐标为(100mm，580mm)、(260mm，420mm)、(420mm，260mm)、(580mm，100mm)，矩形子阵

～矩形子阵

的距中心位置的非周期排布坐标为(102mm，766mm)、(274mm，618mm)、(446mm，446mm)、(618mm，274mm)、(766mm，102mm)，矩形子阵

～矩形子阵

非周期排布坐标为(446mm，618mm)、(618mm，446mm)。

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