一种基于多点预判的L形子阵组阵方法及天线阵与流程

本发明涉及一种阵列天线技术，尤其涉及的是一种基于多点预判的l形子阵组阵方法及天线阵。

背景技术：

随着现代相控阵雷达技术的飞速发展，雷达监视范围与探测距离在不断增大，雷达系统要求有源相控阵天线向电大尺寸的方向发展(电尺寸为天线物理尺寸相对于工作频率波长的尺寸)以提高雷达分辨力、威力等系统性能。虽然随着科技发展和工艺进步，相控阵雷达的造价虽然有了大幅度的下降，但仍令人望而生畏，。如何在不影响相控阵天线性能的前提下使有源通道稀疏化，减少庞大的设备及其用电量成为了需要解决的难题。

在目前使用较多的相控阵雷达系统中，天线阵常采用平面阵的形式(方形阵、矩形阵、圆形阵等)，传统的布阵方法为满阵排布，即天线单元之间的间距小于扫描不出栅瓣的距离，每个天线单元由一个有源通道馈电。有源通道功能复杂，制造工艺难度大，成品率低，占用了极大比例的有源相控阵雷达系统成本，在阵列规模较大时，需要减少有源通道，控制系统成本。常用的有源通道稀疏化的方法有：有限视场扫描、稀疏阵、子阵级馈电、不规则子阵等。有限视场扫描是通过牺牲天线阵的扫描能力来增大天线单元间的间距以达到稀疏有源通道的目的，此方法常需要机械扫描的辅助，应用范围窄；稀疏阵则是通过将天线单元进行一定比例稀疏化后在天线阵面中按照一定的排列方式进行排列，此方法可大比例稀疏天线单元和有源通道数，并且有效抑制扫描栅瓣，但是稀疏阵设计难度大，且稀疏后的天线阵装配、定位难度大；子阵级馈电可有效减少有源通道数，但周期性排布会引起方向图扫描栅瓣；运用不规则子阵打破子阵级周期性排布也可实现稀疏有源通道，抑制扫描栅瓣，但是不规则子阵组成难度大，对于大型二维有源相控阵设计时，无法通过人工手动拼接完成组阵，工程上亦不好实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于多点预判的l形子阵组阵方法及天线阵，能够有效抑制了方向图栅瓣。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)将目标二维有源相控阵内包含的m×n个天线单元抽象成m×n个填充点；

(2)根据约定填充顺序、预判点数n与使用的l形子阵类型，选择下一个填充点，随机选择l形子阵形态进行填充，满足与已填充的子阵不相互覆盖即可；

(3)将当前填充的l形子阵周围的附属点与下n步需要填充的点归为预判点集，随机选择l形子阵形态对预判点集进行预填充，若存在能够完全覆盖预判点集的l形子阵组合则进行下一步填充，否则判定当前l形子阵的填充方式无效，重新选择一种l形子阵形态进行填充；

(5)组阵完成后，根据远场计算公式计算其电场方向图，确定当前组阵方式是否满足系统要求，如不满足，返回步骤(2)重新填充。

作为本发明的优选方式之一，所述l形子阵的类型包括4单元l形子阵和8单元l形子阵。

作为本发明的优选方式之一，所述4单元l形子阵和8单元l形子阵分别有八种形态，分别由对应的4单元l形子阵和8单元l形子阵依次通过旋转90°、180°、270°、镜像加旋转90°、180°、270°得到。

作为本发明的优选方式之一，所述填充顺序为：所述填充点由上向下沿多个z字形依次填充。

作为本发明的优选方式之一，所述填充顺序为：所述填充点由上向下沿多个弓字形依次填充。

作为本发明的优选方式之一，所述填充顺序为：所述填充点由内向外沿旋涡形依次填充。

所述单个4单元l形子阵有14个附属点紧密的分布在其周围，单个8单元l形子阵有18个附属点紧密的分布在其周围，步骤(3)完成后，将附属点代入目标阵中，去除与下n步重合的附属点后，选取剩下的附属点与下n步需要填充的点作为预判点集。所述的附属点为紧邻子阵的点。

作为本发明的优选方式之一，所述预判点集中包含的下n步需要填充的点，其n的值为任意大于1的整数。

一种天线阵，所述天线阵由所述的基于多点预判的l形子阵组阵方法构成。

一种有源相控阵雷达系统，使用所述天线阵。

组阵时，将二维有源相控阵设计包含的各天线单元抽象成点，按照约定的顺序依次利用4单元或者8单元l形子阵的随机形态填充阵面区域内每一个点，并遵循不与已填充的子阵相互覆盖的原则；填充过程中利用l形子阵周围存在的附属点与下n步需要填充的点进行预判当前填充方式是否合理。可以拼成由l形子阵组成的随机平面阵，阵中每个l形子阵仅使用一个有源通道，相比常规的满阵有源通道数大大减少，节约系统成本；组阵后，由于天线阵中各l形子阵形状各异，有源通道分布随机，辐射电场在观测方向外空间的叠加削弱，削弱由有源通道稀疏化引起的方向图栅瓣。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明运用l形子阵的附属点与下n步待填充点组成的预判点集判断当前填充的l形子阵状态是否合适，提高了填充效率与成功率。与传统相控阵相比，运用此方法组成的二维有源相控阵有源通道数为满阵的四分之一或八分之一，有源通道稀疏化程度高，有效节约系统成本。随机分布的有源通道有效抑制了方向图栅瓣，降低了雷达系统的噪声干扰。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是m×n天线单元平面阵馈电抽象示意图；

图3是l形子阵8种形态示意图；

图4是待填充平面阵填充顺序；

图5是l形子阵与附属点示意图；

图6是预判点集示意图；

图7是l形子阵固定馈电示意图；

图8是由4单元l形子阵组成50×50二维有源相控阵；

图9是50×50二维有源相控阵方位切面视角方向图；

图10是50×50二维有源相控阵俯仰切面视角方向图；

图11是由8单元l形子阵组成74×74二维有源相控阵；

图12是74×74二维有源相控阵方位切面视角方向图；

图13是74×74二维有源相控阵俯仰切面视角方向图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的具体实现步骤如下：(1)将目标二维有源相控阵内包含的m×n个天线单元抽象成m×n个填充点；

(2)根据约定填充顺序、预判点数n与使用的l形子阵类型，选择下一个填充点，随机选择l形子阵形态进行填充，满足与已填充的子阵不相互覆盖即可；

(3)将当前填充的l形子阵周围的附属点与下n步需要填充的点归为预判点集，随机选择l形子阵形态对预判点集进行预填充，若存在能够完全覆盖预判点集的l形子阵组合则进行下一步填充，否则判定当前l形子阵的填充方式无效，重新选择一种l形子阵形态进行填充；

(5)组阵完成后，根据远场计算公式计算其电场方向图，确定当前组阵方式是否满足系统要求，如不满足，返回步骤(2)重新填充。

本实施例目标二维有源相控阵内包含的各天线单元抽象成待填充点。一般地，二维有源相控阵由单元间距小于出栅瓣的最大距离的天线单元组成平面阵，阵中每个天线单元由一个t/r组件通道馈电，馈电点的位置抽象成一个点，平面阵就可以抽象成由位置一定的点组成。如图2所述，待组阵的平面阵包含m×n个天线单元，则抽象成m×n个点。

本实施例的l形子阵为4个单元排布成l形。初始状态的l形子阵的横边和竖边都有1排单元。

如图3所示，图3(1)是4单元l形子阵形态图，图3(2)是8单元l形子阵形态图。由于l形子阵有8个状态，即由初始状态l形通过旋转90°、180°、270°、镜像加旋转90°、180°、270°得到的8个状态，填充时须选择好填充顺序，避免因填充顺序不固定而导致找不到能够填满目标平面阵的组阵方式，常用的填充顺序见图4，图4(1)中填充点由上向下沿多个z字形依次填充，图4(2)中，填充点由上向下沿多个弓字形依次填充，图4(3)中，填充点由内向外沿旋涡形依次填充；选择预判点数n，有助于提高组阵时的填充效率与成功率。l形子阵的类型则包括4单元l形子阵与8单元l形子阵，针对系统不同的需求，填充时选择其中一种类型。

选择下一个填充点，随机选择l形子阵形态进行填充。从l形子阵的8个状态中随机选择一个，填充时，遵循不与已填充的子阵相互覆盖为原则，用l形子阵覆盖待填充点完成填充。

将当前填充的l形子阵周围的附属点与下n步需要填充的点归为预判点集，随机选择l形子阵对预判点集进行预填充，若存在能够完全覆盖预判点集的l形子阵组合则进行下一步填充，否则判定当前l形子阵的填充方式无效，重新选择一种形态进行填充4。如图5(1)所示，单个4单元l形子阵有14个附属点紧密的分布在其周围，如图5(2)所示，单个8单元l形子阵有18个附属点紧密的分布在其周围，第3步完成后，将附属点代入目标阵中。去除与下n步重合的附属点后，选取剩下的附属点与下n步需要填充的点作为预判点集，如图6所示，以不与已填充的子阵相互覆盖的原则进行预填充，若存在能够完全覆盖预判点集的组合则进入下一步填充直至整个平面阵填充完成，否则判定当前l形子阵的填充方式无效，重新选择一种形态进行填充。

组阵完成后，根据远场计算公式计算其电场方向图。计算时，单个l形子阵由一个有源通道进行馈电，馈电点位置一般固定为l形子阵中的一个固定位置，如图7所示，图7(1)为4单元l形子阵固定馈电示意图，图7(2)为8单元l形子阵固定馈电示意图。由于组阵过程为随机过程，天线阵中有源通道分布随机，电场方向图中主瓣性能较为稳定，而副瓣性能有一定的波动，需要通过计算结果进行确定当前组阵方式是否满足系统要求。

如图8所示，本实施例选择4单元l形子阵，填充单元数为50×50的二维有源相控阵，约定的填充顺序为图4(3)中所示顺序，n取7。

如图9和10所示，图中是该天线阵天线单元间距λ/2(二分之一工作波长)情况下两个主切面视角的方向图。本实施例的天线阵与用方形4单元子阵组成的50×50二维有源相控阵通道数量相同，而使用方形4单元子阵使通道间距达到1个波长，方向图会出现栅瓣，而使用l形子阵组成的天线阵计算结果未见栅瓣，说明此方案可有效抑制栅瓣。

实施例2

如图11所示，本实施例选择8单元l形子阵，填充单元数为74×74的二维有源相控阵，约定的填充顺序为图4(3)中所示顺序，n取10。

本实施例的l形子阵为8个单元排布成l形。初始状态的l形子阵的横边有2排单元，竖边有1排单元。

其他实施方式和实施例1相同。

如图12和13所示，图中是该天线阵天线单元间距λ/2(二分之一工作波长)情况下两个主切面视角的方向图。本实施例天线阵与用矩形8单元子阵组成的74×74二维有源相控阵通道数量相同，而使用矩形8单元子阵使通道间距超过到1个波长，方向图会出现栅瓣，而使用l形子阵组成的天线阵计算结果未见栅瓣，说明此方案可有效抑制栅瓣。

二维有源相控阵是由4单元l形子阵或8单元l形子阵随机填充成的，与常规的每个天线单元使用一个有源通道的满阵相比有源通道分别稀疏了75％与87.5％，大大减少有源通道数量，节省系统成本。组阵完成后的平面阵，其有源通道呈随机分布，有效抑制了方向图栅瓣，降低了雷达系统的噪声干扰。

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。