一种基于截断效应补偿的有限阵有源反射系数计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微波天线技术，涉及对有限阵有源反射系数计算方法的改进。
【背景技术】
[0002] 有限阵列特性的研究一直受到广泛的关注，特别是近年来，随着相控阵天线在工 程中的推广应用及对其电磁性能要求的不断提高，建立准确高效的有限阵阵列分析方法， 提高互耦效应与边缘效应分析计算的精度与效率问题成为有限阵列分析和设计中的突出 问题。相控阵单元间的互耦效应与边缘效应通常可以用有源反射系数进行表征，它通过影 响阵面的电磁流分布来改变阵列的辐射特性，甚至导致阵列出现扫描盲点现象，所以设计 相控阵天线时必须充分考虑单元互耦以及边缘效应的综合影响。如何解决有限阵列单元互 耦与边缘效应的综合计算问题，如何兼顾阵列结构的分析精度与计算效率间的矛盾，是目 前有限阵特性研究中的突出问题，研究有限阵特性分析与设计方法具有很高的理论价值和 重要的现实意义。
[0003] 有关阵列有源反射系数的计算参考文献[1 ]，[ 1 ]Gomez-Tagle，J，Christodoulou， C·G，"Broadband characterization of the active reflection coefficient offinite-sized phased array microstrip antennas，'，Phased Array Systems and Technology，IEEE，pp. 255-258，2000.最常用的就是如矩量法、有限元、时域有限差分等精 确数值分析方法，不受阵列周期性和单元排布的限制，缺点是完全依赖数值计算，计算效率 比较低，特别是针对电大尺寸的阵列规模。另外很多人提出基于考虑互耦效应的无限阵方 法分析有限大阵列特性，该方法模型简单易于计算，可以快速有效地设计大规模阵列的中 心单元和近似其电磁性能，缺点是不考虑实际设计中涉及的边缘效应影响。在此基础上，考 虑有限阵的边缘效应，对无限阵方法进行修正或对有限阵方法进行改进，然而有限大阵列 电磁性能计算过程复杂，计算量大，分析效率还是不高，参考文献[2]。[2]Rob Maaskant， Raj Mittra,uFast analysis of large antenna arrays using the characteristic basis function method and the adaptive cross approximation algorithm，'， Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，vol·56，no·11，pp·3440-3451， Nov.2008.
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是:提出一种基于截断效应补偿的有限阵列有源反射系数快速计算 方法，以便有效地提高大规模有限阵列有源反射系数计算效率与计算精度。
[0005] 本发明的技术方案是:一种基于截断效应补偿的有限阵有源反射系数计算方法， 其特征在于:计算的步骤如下：
[0006] 1、确定初始参考阵列圈数:通过分析不同规模大小的有限大阵列天线的截断效 应，确定初始参考阵列规模大小圈数为N;
[0007] 2、计算圈数为N的初始参考阵列的互耦系数；
[0008] 采用全波算法计算初始参考阵列中中心单元与各单元的互耦系数Sli，其中1表示 初始参考阵列中心单元，i表示初始参考阵列中的任意单元，i = 1，2···Μν ;
[0009] 其中Μν表示图6渐变开槽单元组成的有限大阵列示意图中所示的阵列圈数为Ν时 的单元个数，Μν与圈数Ν的关系为：
[0011] 3、推算圈数为Ν+1阵列的互耦系数：
[0012]当阵列规模大小圈数增加到Ν+1时，基于初始参考的Ν圈阵列中的互耦系数Slj，采 用互耦系数外推法公式2推算出阵列第N+1圈中中心单元与各单元的互耦系数Slj，其中j表 示N+1圈阵列中的任意单元，j = l，2···Μν+ι;
[0013]其中Μν+1表示图6渐变开槽单元组成的有限大阵列示意图中所示的阵列圈数为Ν+1 时的单元个数，根据公式1的关系式可以计算得到；
[0014] Si,n+i = Si,n+(Si,n-Si,n-i) (2)
[0015]在公式2中各符号的含义为：
[0016] S1>N+1表示图6渐变开槽单元组成的有限大阵列示意图中所示的阵列圈数为N+1时， 阵列中心单元与其余各单元的互耦系数；
[0017] ShN表示图6渐变开槽单元组成的有限大阵列示意图中所示的阵列圈数为N时，阵 列中心单元与其余各单元的互耦系数；
[0018] Si,η表示图6渐变开槽单元组成的有限大阵列示意图中所示的阵列圈数为N-1时， 阵列中心单元与其余各单元的互耦系数；
[0019] 4、计算圈数为Ν+1阵列的有源反射系数：
[0020]根据阵列第Ν+1圈中中心单元与各单元的互耦系数Slj，其中j表示Ν+1圈阵列中的 任意单元，j = 1，2···Μν+ι，由公式3可以得到N+1圈阵列中心单元的有源反射系数R;
[0022]其中R表示有源反射系数；
[0023] 表示中心单元和第j个单元的互耦系数；
[0024] al表示N+1圈阵列中中心单元的激励场强；
[0025] aj表示N+1圈阵列中第j个单元的激励场强；
[0026] 5、计算所需规模阵列有源反射系数：当阵列规模大小圈数进一步增大时，重复上 述步骤3和步骤4,通过迭代可得到任意规模大小阵列中单元的有源反射系数。
[0027] 本发明的优点是:提出了一种基于截断效应补偿的有限阵列有源反射系数快速计 算方法，有效地提高了大规模有限阵列有源反射系数计算效率与计算精度。采用基于截断 效应补偿的有限阵有限阵列计算方法，经互耦系数外推法获得的有限大阵列有源反射系数 与全波算法仿真所得的有源反射系数相比，有源驻波趋势与数值吻合良好，验证基于截断 效应补偿的有限阵列有源反射系数快速计算方法的有效性，以在10倍波长的有限大阵列为 例，其所占内存仅为全波仿真1/3的基础上，运算时间由原来的106小时变为15.5小时，计算 效率提高了约10倍，可应用于有限大阵列特性的快速分析与计算。
【附图说明】
[0028]图1是渐变开槽单元三维模型。
[0029]给出了渐变开槽单元按E面与Η面示意。
[0030]图2是渐变开槽单元Ε面线阵。
[0031]以图1所示的渐变开槽单元按Ε面单元间距沿Ε面进行阵列构成的线阵。
[0032]图3是渐变开槽单元Ε面线阵各单元有源阻抗。
[0033]图中横坐标Num代表Ε面单元数，0代表中心单元，纵坐标Zact代表各单元的特性阻 抗，单位为欧姆，图中不同的曲线代表两倍、四倍、六倍、八倍以及十倍波长阵列不同位置各 单元的特性阻抗，通过中心单元特性阻抗波动情况选择E面阵面规模。
[0034]图4是渐变开槽单元Η面线阵。
[0035] 以图1所示的渐变开槽单元按Η面单元间距沿Η面进行阵列构成的线阵。
[0036] 图5是渐变开槽单元Η面线阵各单元有源阻抗。
[0037] 图中横坐标Num代表Η面单元数，0代表中心单元，纵坐标Zact代表各单元的特性阻 抗，单位为欧姆，图中不同的曲线代表两倍、四倍、六倍、八倍以及十倍波长阵列不同位置各 单元的特性阻抗，通过中心单元特性阻抗波动情况选择Η面阵面规模。
[0038] 图6是渐变开槽单元组成的有限大阵列示意图。
[0039]图中代表辐射单元的位置坐标，成三角形分布，连接形成的若干六边形代 表阵列圈数，示意图给出了圈数形成方式。
[0040] 图7是渐变开槽单元组成的有限大阵列模型。<