抑制大間距相控陣天線柵瓣的布陣方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種抑制大間距相控陣天線陣列柵瓣的布陣方法，具有如下其特征：整個(gè)陣列天線陣面按直角坐標(biāo)系分為四個(gè)象限，四個(gè)象限關(guān)于象限中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱或軸對(duì)稱；每個(gè)象限中包含N個(gè)邊緣不發(fā)生重疊的子陣，N個(gè)子陣按照從陣列中心沿半徑方向向外稀疏化排布，形成非周期陣列；每個(gè)子陣包括M個(gè)單元，M個(gè)單元的位置按照不同的柵格形式均勻或非均勻排布，N*M個(gè)單元的間距大于一個(gè)波長；陣列的邊緣形狀近似為圓形、橢圓形、八角形、矩形等陣形。本發(fā)明結(jié)合陣列稀疏化原理與子陣級(jí)非周期結(jié)構(gòu)原理構(gòu)造出一個(gè)單元間距大于一個(gè)波長的陣列，以較少的天線單元達(dá)到增益、分辨率、柵瓣抑制等技術(shù)指標(biāo)和要求，降低了天線系統(tǒng)的成本。
【專利說明】抑制大間距相控陣天線柵瓣的布陣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)航、通信等領(lǐng)域相控陣天線布陣方法，特別是涉及陣列單元間距在一個(gè)波長以上的大間距相控陣天線的柵瓣抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]相控陣天線通常是由一組離散輻射天線組成，這些輻射天線可以排列成直線結(jié)構(gòu)，也可以排列成兩維平面結(jié)構(gòu)或者空間拱形結(jié)構(gòu)。每個(gè)輻射天線的振幅和相位激勵(lì)能獨(dú)立地控制，以便在空間形成任意要求形狀的波束。
[0003]陣列天線的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，最基本的形式是線性陣，它是指多個(gè)輻射元的中心在一條直線上的陣列天線，單元間距可以是相等的，也可以是不等的。當(dāng)天線的輻射元的中心排列在一個(gè)面上時(shí)，則稱它為面陣。面陣周圍所形成的輪廓形狀，可以是矩形面陣，也可以是圓形面陣等。在陣列天線中，單元間距一般取1/2波長，若單元間距過大會(huì)在方向圖中形成不必要的柵瓣，太小則會(huì)使陣列天線單元間的互耦變大，影響天線性能，同時(shí)會(huì)增加陣列天線的設(shè)計(jì)難度。
[0004]相鄰單元間距不超過1/2波長的大型相控陣不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且造價(jià)高昂，嚴(yán)重地限制了相控陣天線的應(yīng)用。因此為了降低陣列天線的成本，采用單元間距大于一個(gè)波長的的陣列天線是一種可行的方法。這種陣列可以大大地減少單元數(shù)目，但按照常規(guī)的方法設(shè)計(jì)這種陣列時(shí)，就一定會(huì)出現(xiàn)柵瓣，柵瓣的存在不但會(huì)減小波束的掃描范圍、降低準(zhǔn)確度，而且由于柵瓣分走了大量主瓣的能量，從而降低了能量的利用率，減小了波束的掃描距離。因此如何抑制大間距陣列天線的柵瓣就成為近年來業(yè)界最為炙手可熱的研究課題。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)抑制大間距陣列天線柵瓣方面進(jìn)行了大量的研究，從公開發(fā)表的文獻(xiàn)可以看出，抑制柵瓣有兩種途徑:
1、對(duì)陣列天線在子陣級(jí)或者單元級(jí)上進(jìn)行非周期結(jié)構(gòu)排布，將柵瓣能量分散；
2、利用單元方向圖來壓低陣列柵瓣。
[0005]在本發(fā)明中主要涉及第一種。
[0006]陣列天線中的非周期結(jié)構(gòu)是指多個(gè)陣列單元在排布時(shí)相互之間的間距均不相同，利用非周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行布陣的方式有兩種:一種是單元級(jí)的非周期排布方式，即對(duì)陣列中的每個(gè)單元都進(jìn)行非周期的排布；另一種是子陣級(jí)的非周期排布方式，即假設(shè)陣列有N個(gè)子陣，每個(gè)子陣有M個(gè)單元，子陣中M個(gè)單元可按照周期或非周期的方式排布，而N個(gè)子陣間采用非周期排布。
[0007]典型的單元級(jí)非周期結(jié)構(gòu)陣列是稀疏陣列，這種陣列是對(duì)陣列中每個(gè)單元采用稀疏化原理進(jìn)行布局，應(yīng)用稀疏化原理布局有兩類方法:一類是將一定數(shù)目的天線單元從均勻間隔陣列中稀疏而形成，其單元間距是原均勻陣列的單元間距的整數(shù)倍；另一類是天線單元在天線孔徑上隨機(jī)分布，其單元間距是相互不可整除的。第二類無需像第一類陣列那樣約束天線單元在等間隔的規(guī)則柵格上，所以優(yōu)化的自由度更大，有利于更大限度地提高陣列天線的相關(guān)性能，采用這樣布局的陣列不僅不會(huì)出現(xiàn)柵瓣，而且其柵瓣電平可以做得很低，但是這種陣列會(huì)增大陣面的制造和加工難度，并使陣面的其他部分變得十分復(fù)雜。
[0008]因此，采用子陣級(jí)非周期結(jié)構(gòu)來抑制柵瓣就應(yīng)運(yùn)而生，相對(duì)于單元級(jí)非周期結(jié)構(gòu)排布，子陣級(jí)非周期結(jié)構(gòu)大大減小了陣面及其他部分的設(shè)計(jì)難度，并且減少了優(yōu)化量。
[0009]將大小相等的子陣鄰接排布會(huì)導(dǎo)致天線方向圖出現(xiàn)大的柵瓣，為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種子陣排布的方法，如:旋轉(zhuǎn)子陣排列組合，在1978年，Vishwani D.Agrawal和Thomas C.Tong采用四個(gè)大間距的子陣旋轉(zhuǎn)排列組成的陣列得到了抑制柵瓣的效果，其不足之處是四個(gè)子陣發(fā)生了重疊；2002年Mark L.Goldstein等人在其專利申請(qǐng)中給出了一種由非周期子陣分布在四個(gè)同心圓環(huán)上，中心也布有一個(gè)子陣，這種分布是在子陣內(nèi)和子陣間都采用非周期陣列排布，有效地抑制了柵瓣；在2003年，國內(nèi)的學(xué)者朱瑞平等人給出了一種非周期環(huán)柵陣，其陣面采用圓環(huán)柵格結(jié)構(gòu)及子陣插箱結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)對(duì)柵瓣有一定的抑制作用；2010年Yury V.Krivosheev和Alexandr V.Shishlov分析了幾種子陣排布的情況，包括:(a)子陣的相對(duì)位移錯(cuò)位；(b)子陣間加間隙；(C)子陣間加間隙及錯(cuò)位；(d)對(duì)角子陣取不同的單元間距；(e)子陣旋轉(zhuǎn)，這些方法使柵瓣得到了一定程度的抑制。還有近些年來，許多學(xué)者采用不同的優(yōu)化算法給出非周期子陣的位置排列，這些算法各有不同，難易程度也不同。
[0010]綜上所述，將稀疏化原理應(yīng)用于子陣級(jí)非周期結(jié)構(gòu)的排布中將使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，同時(shí)兼顧稀疏陣列中的優(yōu)點(diǎn)，使得柵瓣得到有效的抑制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的任務(wù)是針對(duì)現(xiàn)有的大間距陣列非周期排布技術(shù)中的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種具有柵瓣抑制能力，既能夠兼顧稀疏陣列優(yōu)點(diǎn)，又能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，降低設(shè)計(jì)難度，形成良好和差方向圖的布陣方法。
[0012]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種抑制大間距的相控陣天線陣列柵瓣的布陣方法，具有如下其特征:整個(gè)陣列天線陣面按直角坐標(biāo)系分為四個(gè)象限，四個(gè)象限關(guān)于象限中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱或軸對(duì)稱；每個(gè)象限中包含N個(gè)邊緣不發(fā)生重疊的子陣，N個(gè)子陣按照從陣列中心沿半徑方向向外稀疏化排布，形成非周期陣列，每個(gè)子陣內(nèi)包括M個(gè)單元；M個(gè)單元的位置按照不同的柵格形式均勻或非均勻排布，N*M個(gè)單元間的間距大于一個(gè)波長，陣列的邊緣形狀近似為圓形、橢圓形、八角形、矩形陣型。最佳實(shí)施例中形成的陣列近似為八角形陣。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果。
[0014]本發(fā)明結(jié)合陣列稀疏化原理與子陣級(jí)非周期結(jié)構(gòu)原理構(gòu)造出一個(gè)單元間距大于一個(gè)波長的陣列，以較少的天線單元達(dá)到增益、分辨率、柵瓣抑制等技術(shù)指標(biāo)和要求，降低了天線系統(tǒng)的成本，減輕了陣列天線的重量。
[0015]本發(fā)明將陣列的子陣級(jí)非周期結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為稀疏化設(shè)計(jì)，再配合子陣內(nèi)單元間的排布，使整個(gè)陣列在子陣級(jí)上是非周期排布，在單元級(jí)上也呈現(xiàn)非周期排布，對(duì)柵瓣起到較好的抑制作用。由理論分析和計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果可見，對(duì)陣列子陣中心位置進(jìn)行優(yōu)化，可獲得較優(yōu)陣列方向圖，有效地抑制了陣列的柵瓣。
[0016]本發(fā)明將整個(gè)陣列按象限分為4部分，其他象限與第一象限的排布中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱或軸對(duì)稱，在設(shè)計(jì)時(shí)只需設(shè)計(jì)一個(gè)象限即可，減輕了設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，降低了設(shè)計(jì)難度。同時(shí)，這樣設(shè)計(jì)兼顧了陣列天線和差方向圖的形成，可得到良好的和差性能。[0017]本發(fā)明兼顧了稀疏陣列的優(yōu)點(diǎn)，在簡(jiǎn)化子陣級(jí)非周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)的同時(shí)，有效地降低了運(yùn)算量，通過對(duì)子陣中心位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到合理的陣列布局。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明最佳實(shí)施例中大間距相控陣天線陣列布局示意圖。
[0019]圖2為圖1的I象限子陣排布示意圖。
[0020]圖3是最佳實(shí)施例陣列天線方位面內(nèi)的方向圖(假設(shè)單元天線為全向天線)
圖中:1單元的位置，2子陣的中心位置，①至?為象限I中子陣的標(biāo)號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0022]參閱圖1。在以下實(shí)施例中，抑制大間距的相控陣天線陣列柵瓣的布陣以總單元數(shù)1088，子陣數(shù)64，柵瓣小于-1ldB的陣列布局為最佳實(shí)施例。圖中I是單元的位置，16個(gè)單元組成一個(gè)子陣，方形邊框是子陣的邊緣，圖中2是方形邊框子陣的中心位置，在第一象限中共有17個(gè)子陣，整個(gè)陣列共有68(4*17)個(gè)子陣，1088 (4*17*16)個(gè)單元。
[0023]整個(gè)陣列的排布主要包括兩部分:一部分為子陣內(nèi)單元的排布，另一部分為子陣與子陣間的排布。整個(gè)相控陣天線陣列按象限分為四部分，這四個(gè)部分關(guān)于象限中心旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱或軸對(duì)稱；陣列天線陣面按直角坐標(biāo)系分為四個(gè)象限，象限1、象限I1、象限III和象限IV。象限I1、象限III和象限IV與第一象限的排布對(duì)稱，以形成所需的和波束、方位差波束以及俯仰差波束。每一個(gè)部分中包括N個(gè)子陣，每個(gè)子陣內(nèi)包括M個(gè)單元，共N*M個(gè)單元；每個(gè)子陣內(nèi)M個(gè)單元的位置可按照不同的柵格形式均勻或非均勻排布。每個(gè)子陣內(nèi)M個(gè)單元的位置按照?qǐng)A環(huán)柵格、矩形柵格或者三角形柵格均勻或非均勻排布，相鄰單元之間的間距大于一個(gè)波長，不同的子陣內(nèi)的單元可采用不同的單元間距。N個(gè)子陣的中心位置則采用稀疏化原理進(jìn)行優(yōu)化排布，從陣列天線中心沿半徑方向進(jìn)行排布，排布時(shí)兼顧子陣邊緣不發(fā)生重疊的原則，最終形成非周期相控陣天線陣列；天線陣面的邊界可以近似為圓形、橢圓形、八角形，矩形等陣形。
[0024]參閱圖2。首先是子陣內(nèi)單元的排布，子陣內(nèi)單元間距大于一個(gè)波長，子陣①一⑩的單元間距為1.266倍波長，子陣?一?的單元間距為1.39倍波長；單元間可為均勻排布或非均勻排布，該實(shí)施例中采用均勻排布；子陣內(nèi)單元數(shù)目可根據(jù)相關(guān)性能要求采用不同的大小規(guī)模，例如圓形柵格排布時(shí)，子陣內(nèi)單元數(shù)可以為3、9、15等，矩形柵格或三角形柵格排布時(shí)，子陣內(nèi)單元數(shù)可以為2X2，4X4，8X8等，實(shí)施例中采用單元數(shù)為4X4的矩形柵格形式。
[0025]其次是子陣與子陣之間的排布，子陣的中心位置按照陣列稀疏化原理布局，布局時(shí)以子陣與子陣邊緣不發(fā)生重疊為原則，按照從陣列中心沿半徑方向向外稀疏化的方法。
[0026]參閱圖2。根據(jù)稀疏化原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到:在第一象限中，子陣①一⑩的單元間距為1.266倍波長，其中子陣①一⑥的中心位置坐標(biāo)為(80mm，80mm)、(80mm，240mm)、(80mm, 400mm)、(240mm, 80mm)、(240mm, 240mm)、(400mm, 80mm);子陣⑦一⑩的中心位置坐標(biāo)為(100mm, 580mm)、(260mm, 420mm) > (420mm, 260mm) > (580mm, 100mm),這 4 個(gè)子陣的中心位置在半徑方向上進(jìn)行了位置上的稀疏；子陣?一?的單元間距為1.39倍波長，其中心位置坐標(biāo)為(102mm, 766mm)、(274mm, 618mm) > (446mm, 446mm)、(618mm, 274mm) > (766mm, 102mm) >(446mm, 618mm)、(618mm, 446mm),這7個(gè)子陣的中心位置沿半徑方向也進(jìn)行了位置上的稀疏。在排布子陣的過程中為了不發(fā)生子陣邊緣的重疊，將子K H—?中邊緣單元與子陣邊緣的間距由原來的22mm減小為20mm，這樣既能保證所有子陣單元之間的最小間距為40mm，也可避免子陣之間的重疊。其它三個(gè)象限的單元位置可將I象限中的單元對(duì)稱得到。
[0027]由于整個(gè)陣列是由子陣組成，陣列的邊緣形狀可以近似為圓形、橢圓形、八角形，矩形等形狀。該實(shí)施例中形成的陣列式近似為八角陣。
[0028]參見圖3，圖中給出理論計(jì)算得到的最佳實(shí)施例的方位面歸一化方向圖，由于陣列是對(duì)稱的，因此陣列在俯仰面的方向圖與方位面的一樣，這里只給出方位面的歸一化方向圖。在理論計(jì)算時(shí)假設(shè)單元為全向單元天線，可以看出，在天線的方向圖中，柵瓣小于-lldB，副瓣小于-20dB。如果單元換成具有一定方向性的天線，柵瓣還可以進(jìn)一步被抑制。
[0029]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干變形和改進(jìn)，類似的同類結(jié)構(gòu)的等效變換，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種抑制大間距的相控陣天線陣列柵瓣的布陣方法，具有如下其特征:整個(gè)陣列天線陣面按直角坐標(biāo)系分為四個(gè)象限，四個(gè)象限關(guān)于象限中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱或軸對(duì)稱；每個(gè)象限中包含N個(gè)邊緣不發(fā)生重疊的子陣，N個(gè)子陣按照從陣列中心沿半徑方向向外稀疏化排布，形成非周期陣列；每個(gè)子陣包括M個(gè)單元，M個(gè)單元的位置按照不同的柵格形式均勻或非均勻排布，N*M個(gè)單元的間距大于一個(gè)波長；陣列的邊緣形狀近似為圓形、橢圓形、八角形、矩形等陣形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制大間距相控陣天線柵瓣的布陣方法，其特征在于:象限I1、象限III和象限IV與第一象限的排布對(duì)稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制大間距相控陣天線柵瓣的布陣方法，其特征在于:每個(gè)子陣M個(gè)單元的位置按照?qǐng)A環(huán)柵格、矩形柵格或者三角形柵格均勻或非均勻排布，不同的子陣的單元采用不同的間距。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制大間距相控陣天線柵瓣的布陣方法，其特征在于:子陣①一⑩的單元間距為1.266倍波長，子陣?一?的單元間距為1.39倍波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制大間距相控陣天線柵瓣的布陣方法，其特征在于:子陣內(nèi)單元數(shù)目根據(jù)相關(guān)性能要求采用不同的大小規(guī)模，圓形柵格排布時(shí)，子陣內(nèi)單元數(shù)為3、9、15，矩形柵格或三角形柵格排布時(shí)，子陣內(nèi)單元數(shù)為2X2，4X4，8X8。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抑制大間距相控陣天線柵瓣的布陣方法，其特征在于:通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到:在第一象限中，子陣①一⑩的單元間距為1.266倍波長，其中子陣①一⑥的中心位置坐標(biāo)為(80mm，80mm)、(80mm, 240mm)、(80mm, 400mm)、(240mm, 80mm)、(240mm, 240mm)、(400mm, 80mm);子陣⑦一⑩的中心位置坐標(biāo)為(100mm，580mm)、(260mm，420mm)、(420mm，260mm)、(580mm，100mm)，這4個(gè)子陣的中心位置在半徑方向上進(jìn)行了稀疏；子陣一的單元間距為1.39倍波長，其中心位置坐標(biāo)為(102mm，766mm)、(274mm，618mm)、(446mm，446mm)、(618mm，274mm)、(766mm，102mm)、(446mm，618mm)、(618mm，446mm)，也進(jìn)行了稀疏。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種抑制大間距相控陣天線柵瓣的布陣方法，其特征在于:所有子陣單元之間的最小間距為40mm。
【文檔編號(hào)】H01Q21/28GK103985970SQ201410175635
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】王欣, 趙玉國, 陳超, 汪波, 劉華林, 黃先知, 曾傳寶 申請(qǐng)人:零八一電子集團(tuán)有限公司