CN218586361U - 一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，解决了现有大规模阵列天线栅瓣抑制和设计复杂度的问题。一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，包括28×28个阵元，其中子阵数量为7×7，子阵内阵元数量为4×4，是一种非周期子阵错位和非均匀阵元组合的稀布阵列天线。阵列天线整体呈正方形结构，边长为35.9λ。每个子阵亦为正方形结构，其边长为4.26λ。子阵间可错位的范围为0.87λ。子阵内阵元位置及错位距离由蝙蝠算法优化所得。本实用新型适用于无线电通信系统。

Description

一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线

技术领域

本实用新型属于通信系统综合设计中的天线领域，具体涉及一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其具有低栅瓣电平和高分辨率的特点。

背景技术

非周期稀布阵列天线是一种能够实现低栅瓣电平和高分辨率的相控阵天线。当阵元间距大于一个波长时，周期性阵列天线出现栅瓣，从而恶化系统的功率特性和抗干扰性。采用非周期阵列结构能够有效抑制栅瓣。稀布阵列是将阵列天线中的阵元按照约束条件进行优化排布，进而获取符合科学目标的阵列辐射方向图。非周期稀布阵列天线虽然能够有效抑制栅瓣，且阵元间距的增大也可适当降低造价，但是对于大型阵列天线，阵元总量非常庞大，且使用了非周期的优化布阵结构，使得功率分配器馈电网络的设计非常复杂，不利于工程应用的实践。

子阵级阵列天线是将阵列划分成多个子阵，每个子阵内的阵元排布相同，这样每一个子阵均可使用相同的馈电网络和波控，而且布阵优化算法也可从子阵入手，进而向整个阵列优化，使得设计复杂度降低。

由于以上的优点，子阵级非周期稀布阵列天线已经被人们进行了研究。如：YuryV等人在论文“Grating Lobe Suppression inAperiodic PhasedArrayAntennas ComposedofPeriodic Subarrays with Large Element Spacing”中分析了子阵错位，子阵内阵元均匀的阵列结构；Junming D等人在论文“Sidelobe Level andAperture EfficiencyOptimization for TiledAperiodicArrayAntennas”中研究了非周期子阵(旋转)和非均匀阵元组合而成的非周期阵列。目前子阵级非周期阵列天线的突出问题是无法的得到满意的栅瓣副瓣电平和高分辨率，这成为制约子阵级非周期阵列天线应用的主要因素。

实用新型内容

为了解决现有非周期阵列天线栅瓣副瓣电平高等问题，本实用新型提供了种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线。

为了达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，包括28×28个阵元，分布于7×7个子阵，所述子阵内的阵元数量为4×4个，是一种非周期子阵错位和非均匀阵元组合的稀布阵列天线；

所述7×7个子阵位于7行7列方格中，每个子阵先分别位于方格的中心位置，子阵边侧与方格同边侧留有活动间距，所述阵元的位置随机排布，降低了整个阵列天线的冗余度，从而有效降低副瓣电平。

进一步，所述阵列天线整体呈正方形结构，边长为35.9λ，每个所述子阵为正方形结构，边长为4.26λ，λ指电磁波在10GHz下的波长。

进一步，所述子阵边侧与方格同边侧留有活动间距由蝙蝠算法优化所得，提高了阵列天线的优化结构。

更进一步，所述子阵边侧与方格同边侧的活动间距为0.87λ/2。

进一步，所述阵元的位置随机排布由蝙蝠算法优化所得，提高了阵列天线的优化结构。

更进一步，所述阵元的最小间距大于λ/2，且阵元的平均间距大于λ。

进一步，每个所述子阵内的阵列结构相同，这样的结构利于工程实践，降低设计复杂度的同时，保证了副瓣电平抑制能力。

进一步，为可扩展子阵级非周期的阵列天线，适用于更大规模的阵列天线，所述阵列天线的阵列口径等比例放大，易于应用。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

(1)本实用新型子阵内阵元位置是随机的，且每个子阵在一定范围内随机错位，降低了整个阵列天线的冗余度，从而有效降低副瓣电平。

(2)本实用新型子阵内的阵元位置和子阵的错位距离都是使用蝙蝠算法进行优化，提高了阵列天线的优化结构。

(3)本实用新型子阵阵元非均匀排布但每个子阵内的阵列结构相同，这样的结构利于工程实践，降低设计复杂度的同时，保证了副瓣电平抑制能力。

(4)本实用新型为可扩展子阵级非周期的阵列天线，适用于更大规模的阵列天线，可将阵列口径成比例增加，易于应用。

附图说明

图1为本实用新型的一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线的平面结构图，其中，A为阵列天线的平面结构示意图，B为第2行第2列方格的放大示意图；

图2为全空域不扫描的二维方向图；

图3在扫描角度为15度时本实用新型的三维方向图；

图4在扫描角度为30度时本实用新型的三维方向图；

图5在扫描角度为60度时本实用新型的三维方向图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明，应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的子阵级非周期稀布阵列天线的平面结构图如图1所示，包括28×28个阵元1，分布于7×7个子阵2，所述子阵2内的阵元1数量为4×4个；

所述阵列天线整体呈正方形结构，边长为35.9λ，每个所述子阵2为正方形结构，边长为4.26λ，λ指电磁波在10GHz下的波长。

所述7×7个子阵2位于7行7列方格3中，每个子阵2先分别位于方格3的中心位置，子阵2边侧与方格3同边侧留有活动间距，活动间距为0.87λ/2(即可错位范围为0.87λ)，所述阵元1的位置随机排布，阵元1的最小间距大于λ/2，且阵元1的平均间距大于λ。

所述子阵2边侧与方格3同边侧留有活动间距、阵元1的位置随机排布由蝙蝠算法优化所得，蝙蝠算法作为一种对全局最优求解的方法，它的工作流程实则是一种通过迭代进行优化的技术。蝙蝠算法适用于多维、多约优化问题。在满足阵列孔径和阵元间距的条件下，子阵2内阵元1间距为大于半波长。阵元1间距的约束条件是最小阵元1间距大于半波长，且子阵2不能溢出它所在的方格3。

当所有阵元1符合约束条件后，生成初始化种群；设置适应度函数，将初始种群代入适应度函数，开始迭代生成初步的全局最佳解；围绕当前最佳解迭代生成新解；利用适应度函数进行评价新解，当局部新解优于原始解时，更新当前全局最优解，如果循环达到最大迭代次数，则输出最优解和最优适应度函数值。最终得到了最优的子阵2阵元1位置和子阵2错位位置的平面结构图。

本实施例的阵元1非均匀排布但每个子阵2内的阵列结构相同。

为可扩展子阵级非周期的阵列天线，适用于更大规模的阵列天线，所述阵列天线的阵列口径等比例放大，阵列天线的阵列口径可等比例放大。

图2是本实施例中阵列天线的全空域不扫描的二维方向图。对于一维均匀或非均匀线阵，栅瓣位置都在其辐射方向图的E面或H面；对于均匀平面阵列亦是如此。但是在阵元间距不均匀的非周期平面阵列天线中，栅瓣能量无法在一个面内汇聚，因此对于非周期平面阵列想要获取精准的栅瓣位置和栅瓣电平，单分析E面、H面和斜面已经不能满足要求了。为精确评估栅瓣位置和电平，在全空域可视范围内确定栅瓣位置和栅瓣电平。

图3是本实施例中阵列天线在u轴扫描角度为15度时的三维方向图。对于15度的小扫描角，阵列辐射方向图的栅瓣电平均在-13.5dB以下，副瓣电平也没有明显的抬高。

图4是本实施例中阵列天线在u轴扫描角度为30度时的三维方向图。在30度的大扫描角度下，栅瓣电平和平均副瓣电平并没有因为扫描角度的增大明显抬高。

图5是本实施例中阵列天线在u轴扫描角度为60度时的三维方向图。在60度的大扫描角度下，栅瓣电平和平均副瓣电平表现仍然良好。

本实用新型并不限于上文描述的实施方式。以上对于具体实施方式的描述仅是示意性的说明了本实用新型的技术方案，并不是限制性的。在不脱离本实用新型宗旨和权力要求所保护的范围的情况下，本领域的普通技术人员可在本实用新型的启示下进行形式的变换，这均属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其特征在于，包括28×28个阵元，分布于7×7个子阵，所述子阵内的阵元数量为4×4个；

所述7×7个子阵位于7行7列方格中，每个子阵先分别位于方格的中心位置，子阵边侧与方格同边侧留有活动间距，所述子阵内的阵元的位置随机排布。

2.根据权利要求1所述的一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其特征在于，所述阵列天线整体呈正方形结构，边长为35.9λ，每个所述子阵为正方形结构，边长为4.26λ，λ指电磁波在10GHz下的波长。

3.根据权利要求1所述的一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其特征在于，所述子阵边侧与方格同边侧留有活动间距由蝙蝠算法优化所得。

4.根据权利要求1所述的一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其特征在于，每个所述子阵内的阵元的位置随机排布由蝙蝠算法优化所得。

5.根据权利要求3所述的一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其特征在于，所述子阵边侧与方格同边侧的活动间距为0.87λ/2。

6.根据权利要求4所述的一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其特征在于，所述阵元的最小间距大于λ/2，且阵元的平均间距大于λ。

7.根据权利要求1所述的一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其特征在于，每个所述子阵内的阵列结构相同。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种可扩展子阵级非周期稀布阵列天线，其特征在于，所述阵列天线的阵列口径等比例放大，用于更大的天线阵列。

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