宽角扫描旋转圆极化微带阵列天线的轴比优化方法
【专利摘要】本发明提出了一种宽角扫描旋转圆极化微带阵列天线的轴比优化方法，利用本发明能够显著改善宽角扫描状态下旋转圆极化微带阵列天线的轴比，能够实现较高的天线增益和后瓣电平。本发明通过下述技术方案予以实现：在仿真软件HFSS中建立阵列天线仿真模型；在宽角扫描状态下对阵列天线进行仿真计算，针对任一波束指向，利用VBscript程序保存输出各单元内各阵元的正交电场数据；然后，以2×2子阵为一个计算单元，以阵元电场数据为基础分别利用MATLAB程序计算各单元满足圆极化条件下单元内各阵元实际所需的激励幅度和激励相位；HFSS的仿真数据处理模块直接加载MATLAB保存输出的各单元实际所需的激励幅度和激励相位重新进行仿真计算，实现轴比优化。
【专利说明】
宽角扫描旋转圆极化微带阵列天线的轴比优化方法
技术领域
[0001] 本发明是关于宽角扫描状态下以圆极化微带贴片为阵元的旋转圆极化微带阵列 天线的轴比优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术和社会的不断发展，对天线的性能要求也越来越高，在现代的无线 应用系统中，普通的线极化天线已很难满足人们的需求，圆极化天线的应用越来越广泛。圆 极化微带天线的优势在于:能够接收任何形式的极化电磁波，并且任意一种极化形式的接 收天线都能接收它福射出的圆极化波。圆极化天线这种优良的抗干扰性能使其在毫米波段 无线电通信中占据举足轻重的作用。实现圆极化天线的基本原理是:产生两个空间上正交 的线极化电场分量，二者幅度相等，相位相差90度。对于圆极化天线来说，轴比是其最重要 的特性参数之一。天线轴比是影响圆极化天线极化失配的重要指标，优良的轴比可以降低 天线的极化失配以降低整个系统的功率损耗，从而反过来减小天线阵面需求，降低整个系 统的体积重量。因此优良的轴比特性，是圆极化天线设计的重点。
[0003] 通过顺时针或者逆时针旋转微带贴片单元，并依次按照等90°相位差布相是微带 天线获得圆极化的常用形式。微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而 行成的天线，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的 缝隙向外辐射。该天线形式由于其旋转布阵，大大降低了贴片的交叉极化电平，使阵面在法 向具备优良的轴比指标，可以实现很宽的轴比带宽。然而该天线形式应用于相控阵时，随着 波束扫描角逐渐偏离阵面法向，天线的轴比会逐渐恶化。圆极化天线轴比反应的是天线交 叉极化比，天线交叉极化越小，轴比越小。当波束扫描时，交叉极化增大，造成阵列天线轴比 恶化。另外，当旋转圆极化微带阵列天线的阵元采用线极化微带贴片时，宽角扫描状态下天 线增益骤降，后瓣电平增大。以上缺陷使旋转形式圆极化微带阵列天线的应用局限于固定 波束阵列天线，无法在相控阵领域应用。
[0004] 改善宽角扫描状态下旋转圆极化微带阵列天线的轴比，需要抑制阵列辐射电场中 交叉极化，尽量减小它对轴比的恶化。阵列天线的辐射电场方向图满足方向图乘积定理:任 何由相同阵元组成的天线阵的远场辐射方向图都是阵元因子(Element Fact〇r，EF)和阵因 子(Array Factor，AF)的乘积。AF取决于阵元的几何排布、阵元间距及每个阵元的激励幅度 和激励相位，与阵元的几何形状无关。因此当阵列形式固定时，可以调整阵元激励来改变阵 列天线的主极化和交叉极化电场，因此原理上可通过理论计算的阵元电场，修正阵元激励， 改善阵列天线的交叉极化实现对阵列天线的轴比优化。然而天线组阵后各单元间会产生互 耦，互耦效应将会导致利用上述方法的理论计算变得异常繁琐。
【发明内容】
[0005] 为了拓展旋转圆极化微带阵列天线在相控阵领域的应用，本发明针对现有技术存 在的不足之处，提供一种时间成本低、轴比特性优异，具备更优良的增益和后瓣电平，能够 显著改善宽角扫描状态下旋转阵列天线轴比的优化方法。
[0006] 本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种宽角扫描旋转圆极化微带阵列 天线的轴比优化方法，其特征在于包括如下步骤:在三维仿真软件HFSS中，建立以圆极化微 带贴片为阵元的旋转圆极化微带阵列天线仿真模型，针对天线不同波束指向，利用MATLAB 程序自动计算各阵元所需激励相位，MATLAB程序保存输出的计算结果由HFSS的仿真数据处 理模块Edit Source直接加载到仿真模型中进行仿真计算，并根据仿真模型计算输出的宽 角扫描状态下阵列天线轴比仿真结果，判断天线轴比是否满足要求，否，则利用VBscript程 序提取不同波束指向情况下各阵元在三维球坐标系中Θ、Φ两个正交坐标方向的远场电场 数据，且提取电场数据时，各阵元的激励相位只包含波束扫描所需补偿相位;然后，根据阵 列天线分布将阵列天线划分为若干个2 X 2子阵，以2 X 2子阵为一个计算单元，利用MATLAB 程序读取各单元内各阵元的正交电场数据，以阵元电场数据为基础分别计算各单元满足圆 极化条件下单元内各阵元实际所需的激励幅度和激励相位;HFSS的仿真数据处理模块Edit Source直接加载MATLAB保存输出的各单元实际所需的激励幅度和激励相位重新进行仿真 计算，即可实现对宽角度扫描圆极化微带阵列天线的轴比优化。
[0007] 本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
[0008] 时间成本低。本发明在HFSS仿真软件中，建立以圆极化微带贴片为阵元的旋转圆 极化阵列天线仿真模型，建立模型、仿真计算后，在轴比优化过程中，针对天线不同波束指 向，利用VBscript程序自动提取模型中阵元的远场正交电场数据，不同波束指向的阵元电 场数据只需要改变VBscript程序的相关代码，不需对模型重复计算，优化计算由MATLAB程 序完成，MATLAB程序计算得到的各阵元激励幅度和激励相位可由HFSS仿真软件中的仿真模 型直接加载计算，即可实现宽角度扫描阵列天线的轴比优化，整个优化工作由程序自动完 成，节约计算时间。
[0009] 轴比特性优异。本发明针对任一波束指向，MATLAB程序的阵列天线的轴比优化方 法均适用，VBscript程序在仿真软件HFSS中提取的电场数据为特定波束指向所需的补偿相 位激励下的阵元电场数据，充分考虑了阵元间互耦影响，且考虑了波束指向角度以及波束 指向情况下激励相位对阵元电场的影响，提取的数据更有针对性，使本发明针对不同扫描 角度的轴比优化效果更加显著。
[0010]具有更优良的增益和后瓣电平。本发明HFSS仿真软件的仿真数据处理模块Edit Source直接加载MATLAB程序保存输出的各单元实际所需的激励幅度和激励相位重新进行 仿真计算，将宽角扫描轴比优化算法应用于以圆极化微带贴片为阵元的旋转圆极化微带阵 列天线，可以显著改善宽角扫描状态阵列天线轴比，在宽角扫描状态下依旧可以实现轴比 的显著优化，且天线的增益可以得到一定程度的提高，后瓣电平得到改善，从而实现了旋转 阵列天线在宽角扫描时具备优良轴比且具备较好的增益和后瓣电平。克服了线极化微带阵 元情况下宽角扫描时，天线增益骤降，会出现较大的后瓣的缺陷。
[0011]工程应用范围更广。本发明MATLAB以相同的优化方法对阵列中2X2子阵分别进行 优化，不受阵列规模限制;不同波束指向时优化算法相同，只需要提取特定波束指向情况下 阵元电场数据，不受扫描角度的限制；以圆极化微带贴片代替线极化微带贴片为阵元，既能 实现对轴比的显著优化，又具备更高的天线增益和副瓣电平，工程应用范围更广，工程实用 更性强。
[0012] 本发明适用于由圆极化微带贴片旋转组成的圆极化微带阵列天线，特别是大规模 阵列天线的宽角度扫描情况下的轴比优化。
【附图说明】
[0013] 为了更清楚的理解本发明，现将通过本发明实施方式，同时参照附图，来描述本发 明，其中： 图1是本发明旋转圆极化阵列天线的轴比优化流程图。
[0014] 图2是本发明2 X 2子阵天线仿真模型示意图。
【具体实施方式】
[0015] 参阅图1。根据本发明，圆极化微带贴片旋转组成的圆极化微带阵列天线设计完成 后，首先在HFSS仿真软件中建立以圆极化微带贴片为阵元的旋转圆极化微带阵列天线仿真 模型，针对天线不同波束指向，利用MATLAB程序自动计算各阵元所需激励相位，MATLAB保存 输出的计算结果由三维仿真软件HFSS的仿真数据处理模块Edit Source直接加载到仿真模 型中进行仿真计算，并根据仿真模型计算输出的宽角扫描状态下阵列天线轴比仿真结果， 判断天线轴比是否满足要求，否，则利用VBscript程序提取不同波束指向情况下各阵元在 三维球坐标系的Θ、Φ两个正交坐标方向的远场电场数据，且提取电场数据时，各阵元的激 励相位只包含波束扫描所需补偿相位;然后，根据阵列天线分布将阵列天线划分为若干个2 X 2子阵，以2 X 2子阵为一个计算单元，利用MATLAB程序读取各单元内各阵元的正交电场数 据，以阵元电场数据为基础分别计算各单元满足圆极化条件下单元内各阵元实际所需的激 励幅度和激励相位;HFSS仿真软件的仿真数据处理模块Edit Source直接加载MATLAB保存 输出的各单元实际所需的激励幅度和激励相位重新进行仿真计算，即可实现对宽角度扫描 圆极化微带阵列天线的轴比优化。
[0016] 利用VBscript提取该波束指向情况下各阵元Θ，Φ两个正交方向的远场电场数据， 提取电场数据时，各阵元的激励相位只包含满足波束指向所需要的补偿相位，此时相应阵 元的激励幅度为1?，其余阵元的激励幅度为0W。
[0017] 优化后2X2子阵在三维球坐标系中某一指定波束扫描角度θ〇，Φ。时Θ，Φ两个正交 方向的总电场满足圆极化条件:一组正交方向的线极化电场幅度相同，相位相差90°，即
上式为左旋圆极化情况，式中，&1，&2，&3， &4分别为优化后2\2子阵中四个单元的激励， 每，砖，构，辟分别为四个单元在θ〇，_波束指向时Θ方向的电场数据，<，<，埒，句分 别为四个单元在θ〇，<Ρο波束指向时φ方向的电场数据，辟夂#为2 X 2子阵在θ〇，φ〇波束指向 时θ，φ方向的电场总场。
[0018] 当阵列天线进行波束扫描时，各阵元所需的波束扫描补偿相位叭按照公式(2)计 算
式中，1? = 2*3?/λ，λ为波长，dx、dy分别为天线阵列在x、y方向的阵元间距，m、n为第i个阵 元距离相位零点阵元的间距个数，θ〇、Φ Q为指定的波束扫描角度。利用MATLAB程序计算指定 波束扫描角度θ〇、Φο情况下，各阵元需要的波束扫描补偿相位并保存为CSV格式文件，在 HFSS软件的仿真数据处理模块Edit Source中加载该.csv文件，对该波束指向进行模型仿 真计算。模型仿真计算后，利用VBscript程序提取各阵元在θ〇, φ〇波束指向时只有波束扫描 补偿相位％激励情况下Θ，Φ两个正交方向的远场电场数据并保存输出为.csv格式；在 VBscript提取阵元电场数据时，相应阵元的激励幅度为lw，其余阵元的激励幅度为Ow。在 MATLAB中读取VBscript保存输出的阵元电场数据，以2X2子阵为计算单元，以阵元电场数 据为基础分别计算每个单元满足圆极化条件时单元内各阵元实际所需的激励幅度和激励 相位，并将计算结果保存为.csv格式，最后在HFSS仿真软件的仿真数据处理模块Edit Source中加载优化过后阵元的激励数据重新进行计算。重新计算的每个2X2子阵交叉极化 均得到改善，最终改善整个天线阵列的交叉极化比，实现阵列天线的轴比优化。
[0019] 本发明的工作原理是:一组正交方向上幅度相同、相位相差90°的线极化电磁场可 以合成理想的圆极化电磁场，对于线极化微带贴片和圆极化微带贴片旋转构成的圆极化阵 列天线该原理均适用，后者在宽角扫描状态具备更优良的增益和副瓣电平，因此本发明选 用圆极化微带贴片作为阵元。
[0020] 参阅图2。2\2阵列天线中四个圆极化贴片单元的激励分别为&1、&2、 &3、&4，四个激 励均为复数，包含激励幅度和激励相位。此时，阵列天线在Θ、Φ两个正交方向上的电场分别 为：
其中，4(θ，φ)、#(θ，φ)>η号阵元在激励幅度为lw、激励相位为波束扫描所需补偿 相位时在θ、Φ两个正交方向的远场电场，式中其它电场的定义雷同。阵列中天线单元为相 同阵元旋转排列，为简化计算，本发明假设2 X 2阵列天线四个圆极化贴片单元中，圆极化贴 片单元1、圆极化贴片单元3,以及圆极化贴片单元2、圆极化贴片单元4的激励幅度相同、激 励相位相差180°，8卩33 = -31，34 = -32。则在特定波束指向9()，(})()时天线福射方向图满足的圆 极化条件为
上式适用于左旋形式圆极化天线，由以上两个方程即可得到各个单元优化后的激励幅 度和相位，即
轴比优 化后阵元的激励相位包含的A = 0丨+ 0〖+ 0〖，其中，为形成圆极化所需原始相位，鑀为进 行波束扫描补偿相位，#为优化天线轴比所需补偿相位。本发明假设2X2阵列天线四个圆 极化贴片单元中，圆极化贴片单元1、圆极化贴片单元3,以及圆极化贴片单元2、圆极化贴片 单元4的激励幅度相同、激励相位相差180°，即a3 = -ai，a4 = _a2,因此本发明优化算法直接 计算得到的圆极化贴片单元1、3以及圆极化贴片单元2、4的激励相位分别存在180°的相位 差。
[0021]然而，加入波束扫描补偿相位ef后，2X2阵列中圆极化贴片单元1、3以及圆极化贴 片单元2、4不满足180°的相位差，因此，优化方法直接计算得到的阵元激励相位只包含_和 波束扫描补偿相位_需要后续步骤加入。并且，为了提高本发明轴比优化算法的有效 性，充分考虑波束扫描状态阵元的辐射电场情况，在利用VBscript提取阵元电场数据时阵 元的激励相位应包含波束扫描补偿相位纪。
[0022]本发明利用VBscript程序在仿真模型中提取阵元在θ、φ两个正交方向的远场电 场数据，该数据包括了阵元间的互耦影响，通过上述原理提供的优化方法，利用提取的电场 数据进行优化计算，根据计算结果调整阵元的激励幅度和激励相位，每个2X2子阵均可以 实现极低的交叉极化电平，最终达到改善整个阵列天线的交叉极化比、实现改善阵列天线 轴比的目的。
【主权项】
1. 一种宽角扫描旋转圆极化微带阵列天线的轴比优化方法，其特征在于包括如下步 骤:在Ξ维仿真软件HFSS中，建立W圆极化微带贴片为阵元的旋转圆极化微带阵列天线仿 真模型，针对天线不同波束指向，利用MATLAB程序自动计算各阵元所需激励相位，MATLAB程 序保存输出的计算结果由HFSS的仿真数据处理模块Edit Source直接加载到仿真模型中进 行仿真计算，并根据仿真模型计算输出的宽角扫描状态下阵列天线轴比仿真结果，判断天 线轴比是否满足要求，否，则利用VBscript程序提取不同波束指向情况下各阵元在Ξ维坐 标系球中Θ、Φ两个正交坐标方向的远场电场数据，且提取电场数据时，各阵元的激励相位 只包含波束扫描所需补偿相位;然后，根据阵列天线分布将阵列天线划分为若干个2X2子 阵，W2X2子阵为一个计算单元，利用MATLAB程序读取各单元内各阵元的正交电场数据，W 阵元电场数据为基础分别计算各单元满足圆极化条件下单元内各阵元实际所需的激励幅 度和激励相位;HFSS的仿真数据处理模块Edit Source直接加载MATLAB保存输出的各单元 实际所需的激励幅度和激励相位重新进行仿真计算，即可实现对宽角度扫描圆极化微带阵 列天线的轴比优化。2. 如权利要求1所述的旋转圆极化微带阵列天线的轴比优化方法，其特征在于，利用 VBscript程序提取该波束指向情况下各阵元θ，φ方向的远场电场数据，提取电场数据时， 各阵元的激励相位只包含满足波束指向所需要的补偿相位;提取阵元电场数据时，相应阵 元的激励幅度为Iw，其余阵元的激励幅度为Ow。3. 如权利要求1所述的宽角扫描圆极化微带阵列天线轴比优化方法，其特征在于，优化 后2X2子阵在Ξ维球坐标系中某一指定波束扫描角度θ〇, Φο时Θ，Φ两个正交方向的总电场 满足圆极化条件:一组正交方向的线极化电场幅度相同，相位相差90°，即上式为左旋圆极化情况，式中，al，a2，a3，a4分别为优化后2X2子阵中四个单元的激励， 磅，辑，域，巧分别为四个单元在θ〇,秘波束指向时Θ方向的电场数据，4,巧，巧，巧分别 为四个单元在θ〇，％波束指向时?向的电场数据，巧Μ，巧《为2X2子阵在θ〇，φ〇波束指向时 Θ，Φ方向的电场总场。4. 如权利要求1所述的旋转圆极化微带阵列天线的轴比优化方法，其特征在于，利用 MATLAB程序计算指定波束扫描角度θ〇、φ〇情况下，各阵元需要的波束扫描补偿相位保存为 CSV格式文件，并在HFSS软件的仿真数据处理模块Edit Source中加载该.CSV文件，对波束 指向进行模型仿真计算。5. 如权利要求1所述的旋转圆极化微带阵列天线的轴比优化方法，其特征在于，模型仿 真计算后，利用VBscript程序提取各阵元在只有波束扫描补偿相位激励情况下θ〇, φο波 束指向时Θ，Φ两个方向的远场电场数据并保存输出为.CSV格式。6. 如权利要求1所述的旋转圆极化微带阵列天线的轴比优化方法，其特征在于，在 MATLAB程序中读取VBscript保存输出的阵元电场数据后，W2X2子阵为计算单元，W阵元 电场数据为基础分别计算每个单元满足圆极化条件时单元内各阵元实际所需的激励幅度 和激励相位，并将计算结果保存为.CSV格式，最后在HFSS软件的仿真数据处理模块Edit Source中加载优化过后阵元的激励数据重新进行计算。7. 如权利要求1所述的旋转圆极化阵列天线的轴比优化方法，其特征在于，2 X 2阵列天 线中四个圆极化贴片单元的激励分别为31、32、33、34，四个激励均为复数，包含激励幅度和 激励相位，此时，阵列天线在θ、φ两个正交方向上的电场分别为：其中，韩巧，徊，4巧，徊为1号阵元在激励幅度为Iw、激励相位为波束扫描所需补偿相 位时在Θ、Φ两个正交方向的电场，式中其它电场的定义雷同。8. 如权利要求7所述的宽角扫描圆极化阵列天线轴比优化方法，其特征在于，在四个圆 极化贴片单元中，假设圆极化贴片单元1、圆极化贴片单元3W及圆极化贴片单元2、圆极化 贴片单元4的激励幅度相同，励相位相差180°，即激励复数曰3 =-曰1，曰4 =-曰2。9. 如权利要求1所述的旋转圆极化阵列天线的轴比优化方法，其特征在于，轴比优化后 HFSS仿真软件中阵元的激励相位包含的A =起+ 0? + 0f，其中，0,1为形成圆极化所需原始 相位，的为进行波束扫描补偿相位，0?为优化天线轴比所需补偿相位。 ，其中，为形成圆极化所需原始相位，辕为进行波束扫描补偿相位，懿为优化天线轴 比所需补偿相位。10. 如权利要求1所述的宽角扫描圆极化阵列天线轴比优化方法，其特征在于，实施轴 比优化的旋转圆极化微带阵列天线的阵元选用圆极化微带贴片，轴比优化效果显著，且具 备高增益和高副瓣电平特性。
【文档编号】G06F17/50GK106096160SQ201610444197
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】李佳美
【申请人】中国电子科技集团公司第十研究所