专利名称：一种短波小型圆形接收天线阵的制作方法
技术领域：
本发明属于天线技术领域，特别涉及高频地波雷达接收天线阵。
背景技术：
高频地波雷达是一种可以进行连续大面积海洋环境监测的重要探测设备，主要探测海洋表面风、浪、流、潮等海洋动力学参数和海面低空低速移动目标，对国民经济和国防建设有十分重要的意义。为了获得较窄的天线主瓣宽度，即为了获得较高的角度分辨率，接收天线阵的口径往往很大，阵列长度达到几十米甚至上千米，因此需要占用很大的“黄金海岸”面积，极大地增加了建设难度和建设成本，严重阻碍了高频地波雷达的推广和应用。
发明内容
针对传统高频地波雷达天线口径大的问题，本发明提出一种短波小型圆形接收天 线阵，该天线阵可以在保证一定信噪比的情况下获得与传统大口径天线阵相同的方向性系数和主瓣宽度，生成所需的方向图，并很容易实现360°全向扫描。本发明的技术方案为一种短波小型圆形接收天线阵，包括一个圆形小间距单极子天线阵、匹配网络、雷达射频接收通道、加权产生器、互耦校正器和加权器；圆形小间距单极子天线阵包括多个单极子天线，各单极子天线均匀排列在圆周上，圆形小间距单极子天线阵的半径小于或等于雷达工作波长的四分之一；每个单极子天线的输出端连接相应匹配网络的输入端，每个匹配网络的输出端经相应的雷达射频接收通道分别输入加权器；加权产生器所产生的权值输出到互耦校正器；互耦校正器根据各单极子天线之间的互耦情况形成校正数据，校正加权产生器所产生的权值并输入加权器，加权器根据由互耦校正器输入的校正后权值和相应雷达射频接收通道的输入对各个单极子天线进行加权，形成特定的方向图，支持360°全向扫描。而且，匹配网络为五阶宽带匹配网络。而且，单极子天线数目和圆形小间距单极子天线阵的半径根据预设的所要形成的方向图的特点确定；所述方向图的特点包括主瓣方向、主瓣宽度和旁瓣电平抑制值。而且，加权产生器按照单极子天线数目、圆形小间距单极子天线阵的半径和所要形成的方向图的特点，利用旁瓣约束下的最大化方向性系数法来计算各天线单元的加权值，计算过程包括以下子步骤，步骤1，输入参数，包括单极子天线数目N、圆形小间距单极子天线阵的半径I·、工作频率f。、主瓣方向( ,%)和旁瓣约束条件外^，仍):其中，Θ 3和死分别表示俯仰角和方位角，旁瓣约束条件片&的)表示第i个旁瓣所要约束的幅值；步骤2，根据阵元数N、圆阵半径r、工作频率fQ和主瓣方向(必况)，用最大化方向性系数法求出一组权值Wd ;步骤3，将权值wD作为阵列的加权向量计算方向步骤4，判断步骤3中方向图的旁瓣电平是否都小于或等于方向图特点中的旁瓣电平抑制值片1 )，是则将该组权值输出，结束流程，否则进入步骤5 ；步骤5，找出未满足要求的旁瓣的位置并添加旁瓣约束条件；步骤6，在当前的旁瓣约束条件下用最大化方向性系数法求出权值，求出新的wD，返回步骤3进行计算，直到旁瓣电平都满足要求，输出当前的权值wD。而且，互耦校正器根据各单极子天线之间的互耦情况形成校正数据，实现方式为用S参数生成阵列的互阻抗矩阵，用互阻抗矩阵作为校正数据对加权产生器所产生的权值进行校正；所述S参数是在天线和匹配网络连接之前采用双端口网络分析仪直接在实际工作环境中测量得到。本发明的有益效果是，在保证一定信噪比和角度分辨率的前提下，大大减小了占地面积，实现了便携式高频地波雷达天线阵，可以有效地探测海洋表面动力学参数。
图I是本发明实施例的结构示意图。图2是本发明实施例的匹配网络结构示意图。图3是本发明实施例的8元圆阵主瓣指向15°时阵元加权示意图。图4是本发明实施例的8元圆阵逆时针轮换加权后主瓣指向60°时阵元加权示意图。图5是本发明实施例的旁瓣电平约束下最大化方向性系数综合法计算流程图。图6是本发明实施例的用网络分析仪测量两天线间S参数示意图。图7是本发明实施例的频率IOMHz时8元半径2. 5m圆阵主瓣指向90°的方向图。图8是本发明实施例的频率IOMHz时8元半径2. 5m圆阵旁瓣抑制值为10dB、主瓣指向90°的方向图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。参见图1，本发明实施例提供的短波小型圆形接收天线阵，包括一个圆形小间距单极子天线阵、匹配网络、雷达射频接收通道、加权产生器、互耦校正器和加权器。圆形小间距单极子天线阵包括多个单极子天线，各单极子天线均匀排列在圆周上，圆形小间距单极子天线阵的半径小于或等于雷达工作波长的四分之一。为便于描述器件，以下将短波小型圆形接收天线阵简称圆阵。匹配网络用于和雷达射频接收通道进行阻抗匹配；加权产生器按照圆阵分布状况和方向图特点产生权值，所产生的权值输出到互耦校正器；互耦校正器根据各单极子天线之间的互耦情况形成校正数据，校正加权产生器所产生的权值并输入加权器；加权器根据由互耦校正器输入的校正后权值和相应雷达射频接收通道的输入对各个单极子天线进行加权，形成特定的方向图，支持360°全向扫描。每个单极子天线作为一个天线单元，设共有N个单极子天线D1、D2、D3、D4…DN均匀地排列在圆周上，圆阵半径小于或等于雷达工作波长的四分之一，并由支架撑起。圆阵半径小于或等于波长的四分之一属于超方向性天线阵列的间距要求，因此可以获得和大口径阵列天线相同的方向性系数。单极子天线的高度及直径可以根据增益大小、重量要求和抗风要求来选择。天线个数和圆阵半径由所要形成的方向图的特点来确定，例如主瓣方向、主瓣宽度和旁瓣电平抑制值，本领域技术人员可以根据需求预先设定所要形成的方向图的特点。可以先根据雷达性能要求确定天线主瓣方向和旁瓣抑制值，然后在能达到所需主瓣宽度的情况下，用现有的最大化方向性系数法用计算机仿真来优化天数个数和圆阵半径，最大化方向性系数法在下述有详述的推导和步骤。即先根据天线阵小型化的要求，选用适当数量的天线和适当的圆阵半径，并且圆阵半 径小于或等于雷达工作波长的四分之一，在计算机中用最大化方向性系数法求出天线的方向图，看方向图的主瓣宽度是否小于所需的主瓣宽度，如果小于即满足要求，否则需增加天线个数或者增大圆阵半径(但不能超过雷达工作波长的四分之一)。理论证明，适当增加天线个数可以减小主瓣宽度。直到主瓣宽度满足要求为止。实施例中，圆阵作为高频地波雷达的接收天线阵，工作频率为7. 5MHz — 25MHz，各天线单元的高度是2m,采用宽频带全向单极子天线,在7. 5MHz一25MHz频带内，其驻波比小于2，并且变化平缓。在圆阵阵型确定前，实施例根据方向图的特点来优化天线数目和圆阵半径。在高频地波雷达中，当工作频率在7. 5MHz-10MHz时，要求各个扫描方向上的主瓣宽度小于35°。在综合时发现，圆阵半径小于3m时，能够让主瓣宽度小于35°所需的最小阵元数是8，所以采用8根天线，圆阵半径可以根据小型化的程度和主瓣宽度的变化综合选择。由于在高频段，外部噪声大于系统内部噪声，因此当天线阵列缩小时，天线接收到的信号和噪声同比例地减小，即信噪比不变，这是高频天线阵小型化的理论依据。圆阵的加权方式比较简单，由于各天线单元均匀排列，指向各个方向的方向图呈周期分布，因此只需求出一个周期内所需天线方向图的加权值，然后将阵元轮换加权，即可形成指向其他方向的方向图。为此，实施例提供了加权产生器和互耦校正器。所述的加权产生器，即按照天线个数、圆阵半径和方向图特点，利用超方向性综合法来计算各天线单元的加权值。实施例根据阵型分布、主瓣方向和旁瓣电平抑制值，采用旁瓣约束下的最大化方向性系数综合法求出各天线的加权值。具体实施时，可以采用计算机软件技术实现最大化方向性系数综合法的自动运行，即加权产生器可采用计算机或单片机实现，或者采用软件固化模块、集成电路等实现。所述的互耦校正器，用S参数生成阵列的互阻抗矩阵，用互阻抗矩阵作为校正数据对加权值进行校正，加权器则用校正后的加权值对相应射频接收通道的输出相乘，实现对各个天线单元进行加权，通过轮换加权，实现360°全向扫描。具体实施时，可以采用计算机软件技术生成阵列的互阻抗矩阵、加权计算，即加权产生器可采用计算机或单片机实现，或者采用软件固化模块、集成电路等实现。加权器可采用逻辑集成电路，例如采用加法器和乘法器实现加权。所述S参数，可在天线和匹配网络连接之前采用双端口网络分析仪直接在实际工作环境中测量得到。由于各个天线间距较小，天线间的互耦程度很大，因此必须进行互耦校正，以消除天线间的干扰。天线个数和圆阵半径确定后，即阵型分布确定后，把圆阵放在工作场地，用网络分析仪测量各天线之间的S参数，再把S参数转换成互阻抗矩阵，根据雷达射频接收通道的输入阻抗值，对互阻抗矩阵进行归一化，用得到的归一化互阻抗矩阵校正加权产生器生成的权值。
匹配网络用于和接收通道进行阻抗匹配。每个单极子天线的输出端连接相应匹配网络的输入端，每个匹配网络的输出端与相应的雷达射频接收通道连接；每个雷达射频接收通道再分别输入加权器。所述的雷达射频接收通道可以是各种雷达接收机，表达了信号的连接关系，其内部结构不在本发明内容之列。各天线的输出端分别连接匹配网络1、2···N，用来和后端50Ω的雷达射频接收通道输入阻抗相匹配。N个接收通道1、2…N分别与互耦校正器的N个输出端对应，互耦校正器和加权产生器相连。匹配网络可以有多种设计方案，图2所示的方案为五阶匹配网络，由三个电容和两个电感组成，其中电容Cl=52. 9pF，C2=97. IpF, C3=51. 6pF,电感 Ll=689. 5nH, L2=l. 7uH。端口 P1、P2 之间串联电容 Cl 和电感LI ；电容C2 —端连接在电容Cl和电感LI之间，另一端接地；电容C3和电感L2均一端连接端口 P2，另一端接地。在该方案中电容值和电感值是惟一的。端口 Pl连接单极子天线的馈点，端口 P2连接接收通道。具体实施时，本发明技术人员可自行根据具体情况设置匹配网络。为提供效率起见，本发明具体实施时可以基于求取一个扫描周期内的权值，得到360°的权值。图3所示的8元圆阵中，两相邻阵元的圆心角α为45°，故扫描周期是45°，因此只需计算出主瓣指向在0°到44°内所有指定方向的权值，则需要指向其他方向时，·
只用轮换一定次数的加权值即可。即需要指向角度β时，先计算# = 其中Y^
aa
的商，Y2为#的余数，且Υ2< α。则在O到α中找出指向Y2时对应的权值，再将各个 a
阵元上的权值逆时针依次轮换Y 一欠，主瓣即可指向角度β。这样既可通过轮换加权，实现360°全向扫描。比如需要指向60°时，先计算60除以45，商为1，余数为15。则找出主瓣指向15。时各阵元对应的权值，如图3所示，天线D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8所对应的加权值分别是Wl、W2、W3、W4、W5、W6、Tl、W8。再将所有权值逆时针依次轮换I次，即把Wl到W7依次赋给D2到D8，把W8赋给D1，如图4所示，则主瓣指向60°，而方向图的特点不变。在高频地波雷达中，主瓣每隔15°扫描一次，则只需计算主瓣指向0°、15°和30°的加权值，需要其他指向时只需按上述规律轮换加权值，简单方便。最大化方向性系数法为现有技术，为便于实施参考，提供相关说明如下由阵列信号处理的理论可知，N元阵列的方向图为
F(0, φ) = wHv{0, φ)(I)其中，w = [WpW2, ···, wN]T为阵列的加权向量炉)为阵列的导向矢量,上标H和T分别表不共轭转置和转置，Θ和￠7分别表不俯仰角和方位角。对于各向同性阵元，有
V(沒，φ) = ^χρ02π Z0T1X exp(j2^/0r2 ),.··，exp(j2^/0rv)]r(2)其中，f。为入射波的频率，认= 1，2，· V)为入射平面
cN
波的波前到各阵元的时间延迟，r为圆阵半径，c为空气中电磁波的传播速度，N为阵元个数。exp(j2 & τ k) (k = 1,2，···，N)表示由该延迟的时间所对应的相位项，j为虚数单位。阵列的方向性系数定义为
权利要求
1.一种短波小型圆形接收天线阵，其特征在于包括一个圆形小间距单极子天线阵、匹配网络、雷达射频接收通道、加权产生器、互耦校正器和加权器； 圆形小间距单极子天线阵包括多个单极子天线，各单极子天线均匀排列在圆周上，圆形小间距单极子天线阵的半径小于或等于雷达工作波长的四分之一； 每个单极子天线的输出端连接相应匹配网络的输入端，每个匹配网络的输出端经相应的雷达射频接收通道分别输入加权器； 加权产生器所产生的权值输出到互耦校正器；互耦校正器根据各单极子天线之间的互耦情况形成校正数据，校正加权产生器所产生的权值并输入加权器，加权器根据由互耦校正器输入的校正后权值和相应雷达射频接收通道的输入对各个单极子天线进行加权，形成特定的方向图，支持360°全向扫描。
2.根据权利要求I所述的短波小型圆形接收天线阵，其特征在于匹配网络为五阶宽带匹配网络。
3.根据权利要求I所述的短波小型圆形接收天线阵，其特征在于单极子天线数目和圆形小间距单极子天线阵的半径根据预设的所要形成的方向图的特点确定；所述方向图的特点包括主瓣方向、主瓣宽度和旁瓣电平抑制值。
4.根据权利要求3所述的短波小型圆形接收天线阵，其特征在于加权产生器按照单极子天线数目、圆形小间距单极子天线阵的半径和所要形成的方向图的特点，利用旁瓣约束下的最大化方向性系数法来计算各天线单元的加权值，计算过程包括以下子步骤， 步骤1，输入参数，包括单极子天线数目N、圆形小间距单极子天线阵的半径r、工作频率fQ、主瓣方向( ,%)和旁瓣约束条件奶);其中，03和灼分别表示俯仰角和方位角，旁瓣约束条件肩)表示第i个旁瓣所要约束的幅值； 步骤2，根据阵元数N、圆阵半径r、工作频率&和主瓣方向(見，死)，用最大化方向性系数法求出一组权值Wd ; 步骤3，将权值Wd作为阵列的加权向量计算方向图； 步骤4，判断步骤3中方向图的旁瓣电平是否都小于或等于方向图特点中的旁瓣电平抑制值4沐炉,)，是则将该组权值输出，结束流程，否则进入步骤5 ； 步骤5，找出未满足要求的旁瓣的位置并添加旁瓣约束条件； 步骤6，在当前的旁瓣约束条件下用最大化方向性系数法求出权值，求出新的wD，返回步骤3进行计算，直到旁瓣电平都满足要求，输出当前的权值wD。
5.根据权利要求I或2或3或4所述的短波小型圆形接收天线阵，其特征在于互耦校正器根据各单极子天线之间的互耦情况形成校正数据，实现方式为用S参数生成阵列的互阻抗矩阵，用互阻抗矩阵作为校正数据对加权产生器所产生的权值进行校正；所述S参数是在天线和匹配网络连接之前采用双端口网络分析仪直接在实际工作环境中测量得到。
全文摘要
本发明涉及一种短波小型圆形接收天线阵，包括由若干单极子天线组成的小型均匀圆阵、匹配网络、雷达射频接收通道、加权产生器、互耦校正器和加权器。圆阵半径小于或等于波长的四分之一，根据所需要形成的方向图特点确定天线个数和圆阵半径，匹配网络用于和接收通道进行阻抗匹配，加权产生器按照圆阵分布状况和方向图特点产生权值，互耦校正器通过测量天线之间互耦情况形成校正数据，以校正生成的权值，加权器对天线单元进行加权。本发明在保证信噪比和角度分辨率的前提下，大大减小了占地面积，实现了便携式高频地波雷达天线阵，可以有效地探测海洋表面动力学参数。
文档编号H01Q1/52GK102904015SQ20121044267
公开日2013年1月30日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者陈泽宗, 张龙刚, 陈曦, 赵晨, 曾耿斐 申请人:武汉大学