一种大型有源相控阵天线方向图快速计算方法与流程

本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种大型阵列天线快速计算方法。本发明可用于有源相控阵雷达系统。

背景技术：

随着有源相控阵雷达技术的飞速发展，大威力、高分辨力等系统要求引导着有源相控阵天线向电大尺寸方向飞速发展(电尺寸为天线物理尺寸相对于工作频率波长的尺寸)。有源相控阵天线通过有源组件(如：延时放大组件、t/r组件)改变天线单元的馈电相位实现天线阵波束扫描。远场方向图(后称方向图)作为相控阵天线(亦称天线阵)的一项重要参数，通常在设计时须获得大量的方向图数据作为评判阵列天线性能优劣的依据。然而随着天线阵规模不断扩大，天线通道数不断增多，天线阵方向图计算量变得巨大，导致天线阵设计周期拉长，并且在一些规模特别大的阵列天线设计时无法获得天线阵方向图的全部信息，容易导致设计上的失误。

已经有很多学者做了解决阵列天线方向图快速计算方法的研究，如计算直线阵方向图的快速傅里叶变换方法，计算平面阵列天线方向图的快速傅里叶变换方法等。此类快速计算方法多依托于快速傅里叶变换，运用快速傅里叶变换有很强的限制性，如天线单元等间距要求，并且计算时需要很好的数学功底与对傅里叶变换的理解，受众面比较窄。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种大型有源相控阵天线方向图快速计算方法，以解决大型有源阵列天线方向图计算量巨大而无法获得其全部信息的问题。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种大型有源相控阵天线方向图快速计算方法，包括如下步骤：

步骤1：根据工程需要确定组成天线阵的基本模块；

步骤2：根据基本模块的尺寸计算模块在天线阵中的安装位置；

步骤3：计算基本模块安装位置对应的阵因子方向图与基本模块的方向图；

步骤4：将阵因子方向图与基本模块方向图叠加即得到天线阵的方向图。

在步骤1中，所述基本模块边界形状可为正方形或者矩形或其他规则形状，其物理尺寸选取方便安装操作的大小，其中包含的天线单元个数根据工作频段确定。

在步骤4中，阵因子方向图与基本模块方向图叠加是指：将各自方向图进行复数域相乘或者分贝域相加。

本发明的技术效果在于：根据工程需要确定天线阵的基本模块，此操作有利于天线阵的加工与安装，提高工程实施效率；将阵因子方向图与基本模块方向图叠加即得到天线阵，此操作大大减小了传统各天线单元叠加计算方法的计算量，计算量缩小与基本模块中包含的天线单元数量成反比，很大程度提高了天线方向图计算效率，有利于掌握天线阵方向图的全部利息。

附图说明

图1为本发明大型有源相控阵天线方向图快速计算方法流程图；

图2为子坐标系下基本模块示意图；

图3为母坐标系下基本模块安装位置示意图；

图4为天线阵方位面法向波束方向图；

图5为天线阵俯仰面法向波束方向图；

图6为天线阵方位面扫描波束方向图；

图7为天线阵俯仰面扫描波束方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。

一种大型有源阵列天线方向图快速计算方法，如图1所示：首先，根据工程需要确定组成天线阵的基本模块；其次，根据基本模块的尺寸计算模块在天线阵中的安装位置；再次，计算基本模块安装位置对应的阵因子方向图与基本模块的方向图；最后，将阵因子方向图与基本模块方向图叠加即得到天线阵的方向图。

具体应用方法如下：

根据工程需要确定组成天线阵的基本模块。在实际工程应用中，天线阵中各天线单元单独生产加工费工费料，而且不利于天线阵的安装。为了方便天线阵的加工与安装，通常将天线阵分成若干基本模块。基本模块是包含若干天线单元的天线小阵，其边界形状较为规则的，便于加工与安装。根据天线阵的整体情况与实际加工需要通常基本模块的边界形状可为正方形或者矩形或其他规则形状，其物理尺寸一般选取方便安装操作的大小，如30公分乘30公分。其中包含的天线单元个数根据工作频段确定，如基本模块大小为30公分乘30公分时，低频c波段可能包含8乘8个单元，而高频x波段则可能包含16乘16个单元。

根据基本模块的尺寸计算模块在天线阵中的安装位置。确定了基本模块的大小后，需要根据天线阵的实际情况计算基本模块的安装位置，安装位置即对应天线阵所在母坐标系中基本模块安装点的坐标值，通常以基本模块的物理中心作为其所在子坐标系的原点，安装时，以基本模块物理中心位置对准安装位置进行安装。

分别计算基本模块安装位置对应的阵因子方向图与基本模块的方向图。由上一步确定了天线阵母坐标系下基本模块的安装位置可计算天线阵的阵因子方向图；基本模块在子坐标系下，可根据其中天线单元的分布提取各天线单元在子坐标系下的物理位置，此物理位置即对应天线单元物理中心的坐标值，由天线单元的坐标可计算基本模块在子坐标系下的方向图。

将阵因子方向图与基本模块方向图叠加即得到天线阵的方向图。计算得到的天线阵因子方向图与基本模块方向图可以叠加，此操作无需进行母坐标系与子坐标系的统一，只需将各自方向图进行复数域相乘或者分贝域相加即可。

实施例1

参见图2，在平面子坐标系内按方形栅格排布的一个工作在某波段基本模块，天线横坐标方向单元间距为0.5个波长，纵坐标方向单元间距为0.5个波长，模块由8乘8个天线单元组成。图中边框即为基本模块物理边界，框中64个点表示模块中各天线单元中心坐标。

参见图3，在平面母坐标系内有一个平面阵，其由32乘32个基本模块平移演变而来，阵中每一个方框代表一个基本模块，框中的点表示基本模块的安装位置。由此可知天线阵中共有65536个天线单元，各天线单元均由有源组件馈电。

参见图4～7，基本模块安装位置对应的阵因子方向图与基本模块的方向图后将阵因子方向图与基本模块方向图叠加即得到天线阵的方向图。图4为天线阵方位面法向波束方向图，图5天线阵俯仰面法向波束方向图，图6为天线阵方位面扫描波束方向图，图7为天线阵俯仰面法向波束方向图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种大型阵列天线快速计算方法，包括如下步骤：根据工程需要确定组成天线阵的基本模块，此操作有利于天线阵的加工与安装，提高工程实施效率；根据基本模块的尺寸计算模块在天线阵中的安装位置；计算基本模块安装位置对应的阵因子方向图与基本模块的方向图；将阵因子方向图与基本模块方向图叠加即得到天线阵的方向图。此操作大大减小了传统各天线单元叠加计算方法的计算量，计算量缩小与基本模块中包含的天线单元数量成反比，很大程度提高了天线方向图计算效率，有利于掌握天线阵方向图的全部利息。

技术研发人员：孙立春;侯田;杨诚;张洪涛;汪伟;金谋平;鲁加国
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十八研究所
技术研发日：2017.04.13
技术公布日：2017.07.21