环形稀布天线阵列设计方法及环形稀布天线阵列与流程

本发明实施例涉及阵列天线技术领域，尤其涉及一种环形稀布天线阵列设计方法及一种环形稀布天线阵列。

背景技术：

稀布天线由于其成本低廉，适应于扫描范围较小或天线增益要求不高的场合，在工程实际中有极其广泛的应用。

相关技术中，有多种设计稀布天线阵列的方法，例如，有一种采用非周期环栅阵的空馈有限扫描相控阵天线，扫描范围±10°，单元数1380个，小于规则布阵的天线，但该天线为圆极化天线，扫描范围较小。有一种径向等间距排列的非周期环栅阵，每个单元具有近似相等的面积，排列在圆形格点上，扫描范围±5°，副瓣电平小于-20db，但该天线是空馈形式，在天线径向方向依然存在一定的周期性，扫描范围较小，大扫描角时有栅瓣出现。有一种随机阵列的最短距离排布方法，形成的随机阵列可以保证方向图性能，但该方法要进行大量的优化计算，才能得到较好的天线布阵形式。

关于上述技术方案，发明人发现至少存在如下一些技术问题，例如：天线各项性能不高，栅瓣影响大，天线成本高，副瓣影响大等。因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种环形稀布天线阵列设计方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种环形稀布天线阵列设计方法，包括以下步骤：

根据天线性能需求参数，确定天线阵列口径；

根据天线预设参数，确定所述天线阵列中心第一环上阵列单元的初始半径和以阵列中心为极点时的初始极角；

根据所述初始半径，通过分布函数确定位于第一环外，自第二环起各环上阵列单元的半径；

根据自第二环起所述各环上阵列单元的半径确定所述各环上相邻阵列单元间的极角差，根据所述极角差确定各环上阵列单元的极角，并在所述极角上增加一角度扰动参数，以使沿径向所述各环间的阵列单元的分布位置不同。

本公开的一实施例中，上述天线性能需求参数为天线的波束宽度和/或天线的增益。

本公开的一实施例中，上述天线预设参数为天线的频率和/或天线的扫描范围。

本公开的一实施例中，上述分布函数为余弦分布函数或者泰勒分布函数。

本公开的一实施例中，上述角度扰动参数以所述第二环为基准，沿径向随环数线性变化或随机变化。

本公开的一实施例中，上述线性变化为随所述环数线性递增变化或线性递减变化。

本公开的一实施例中，上述阵列单元使用微带准八木天线。

本公开的一实施例中，上述环形稀布天线阵列为圆环形稀布天线阵列。

本公开的一实施例中，上述环形稀布天线阵列为椭圆环形稀布天线阵列。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种环形稀布天线阵列，由上述任一实施例环形稀布天线阵列设计方法设计而成。

本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明的实施例中，通过上述环形稀布天线阵列设计方法，天线单元环形分布，采用分布函数控制个阵列单元分布的疏密程度，阵列单元的位置分布是非周期性的，一方面，打乱了电磁波在空间的相位叠加关系，使天线在主波束以外的方向，相位不会叠加，可有效抑制栅瓣对天线性能的影响，另一方面，此方法设计的天线各项性能均能保持最优，减少了天线单元数量，天线稀布率低，大大降低了天线的成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明示例性实施例中环形稀布天线阵列设计方法步骤图；

图2示出本发明示例性实施例中环形稀布天线布局示意图；

图3示出本发明示例性实施例中环形稀布天线附仰方向图；

图4示出本发明示例性实施例中环形稀布天线方位方向图；

图5示出本发明示例性实施例中环形稀布天线方位扫描方向图；

图6示出本发明示例性实施例中环形稀布天线附仰扫描方向图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

如背景技术部分所描述的内容，相关技术的有多种设计稀布阵列天线的方法，但发明人发现至少存在如下一些技术问题，例如：天线各项性能不高，栅瓣影响大，天线成本高，副瓣影响大等。

为了解决上述问题，本示例实施方式中首先提供了一种环形稀布阵列天线的设计方法，参考图1中所示，该方法可以包括以下步骤：

步骤s101：根据天线性能需求参数，确定天线阵列口径；

步骤s102：根据天线预设参数，确定所述天线阵列中心第一环上阵列单元的初始半径和以阵列中心为极点时的初始极角；

步骤s103：根据所述初始半径，通过分布函数确定位于第一环外，自第二环起各环上阵列单元的半径；

步骤s104：根据自第二环起所述各环上阵列单元的半径确定所述各环上相邻阵列单元间的极角差，根据所述极角差确定各环上阵列单元的极角，并在所述极角上增加一角度扰动参数，以使沿径向所述各环间的阵列单元的分布位置不同。

通过上述环形稀布天线阵列设计方法，天线单元环形分布，采用分布函数控制个阵列单元分布的疏密程度，阵列单元的位置分布是非周期性的，一方面，打乱了电磁波在空间的相位叠加关系，使天线在主波束以外的方向，相位不会叠加，可有效抑制栅瓣对天线性能的影响，另一方面，此方法设计的天线各项性能均能保持最优，减少了天线单元数量，天线稀布率低，大大降低了天线的成本。

具体的：

在步骤s101中，根据天线性能需求参数，确定天线阵列口径。口径即器物圆口的直径，上述天线阵列口径即整个环形天线阵面的直径。

在步骤s102中，根据天线预设参数，确定所述天线阵列中心第一环上阵列单元的初始半径和以阵列中心为极点时的初始极角。上述初始半径为阵列中心第一环上阵列单元到天线阵列中心点的距离，初始极角为阵列中心第一环上阵列单元到极点的连线与极轴的夹角。

在步骤s103中，根据上述初始半径，通过分布函数确定位于第一环外，自第二环起各环上阵列单元的半径。即是以第一环上阵列单元的半径为基准，运用分布函数得到第二环上、第三环上、第四环上……阵列单元到天线阵列中心点的距离。

在步骤s104中，根据自第二环起所述各环上阵列单元的半径确定所述各环上相邻阵列单元间的极角差，根据所述极角差确定各环上阵列单元的极角，并在所述极角上增加一角度扰动参数，以使沿径向所述各环间的阵列单元的分布位置不同。首先根据自第二环起各环上阵列单元的半径即阵列单元到天线阵列中心的距离，确定每一环上阵列单元的个数，根据各环上阵列单元的个数确定各环上相邻阵列单元间的极角差，根据各环上相邻阵列单元间的极角差确定各环上阵列单元的极角，给各阵列单元的极角加上一个角度扰动参数，得到各环上阵列单元的最终极角值。

下面，将对本示例实施方式中的上述方法进行更详细的说明。

在一个实施例中，上述天线性能需求参数可以为天线的波束宽度和/或天线的增益。天线的增益为在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。波束宽度为波束两个半功率点之间的夹角，与天线增益有关，一般天线增益越大，波束就越窄，探测角分辨率就越高。波束宽度分为水平波束宽度和垂直波束宽度。当然并不限于此。

在一个实施例中，上述天线预设参数可以为天线的频率和/或天线的扫描范围。每个天线都有一定的频率范围，称为带宽，在这个范围内，天线阻抗最小，效率最高，这个范围的中间最佳点即中心频率，驻波比最小。当然并不限于此。

在一个实施例中，上述分布函数可以为余弦分布函数或者泰勒分布函数。当然并不限于此。

在一个实施例中，上述角度扰动参数以所述第二环为基准，可以沿径向随环数线性变化或随机变化。角度扰动参数随环数变化，即同一环上阵列单元的极角上增加的角度扰动参数是相同的。当然并不限于此。

在一个实施例中，上述线性变化可以为随所述环数线性递增变化或线性递减变化。线性变化是指一个变量随着另外一个变量的变化是线性关系；线性递增是指一个变量随着另一个变量的增加而增加；线性递减是指一个变量随着另一个变量的增加而减小。当然并不限于此。

在一个实施例中，上述阵列单元可以使用微带准八木天线。八木天线是一种最为常见的定向天线，它具有结构简单、方向性强、增益高等特点，被广泛应用于各种无线通信系统中；微带天线具有体积小、重量轻、易于共形等特点；微带准八木天线便是微带天线与八木天线相结合的产物。微带准八木天线具有传统八木天线方向性强、增益高的特点，同时微带准八木天线还具有带宽较宽、制作简单、成本低的特点，选用微带准八木天线作为阵列单元，可以进一步压低远区副瓣，从而在天线的整个扫描空域内，栅瓣大小控制在了可接受的范围内。当然并不限于此。

在一个实施例中，上述环形稀布天线阵列可以为圆环形稀布天线阵列。即天线阵列的每一环为圆形。

如图2至图6所示，例如，在一个具体实施例中，根据天线性能要求确定阵列尺寸，设定在极坐标下，a(r)表示阵面单元的归一化的幅度分布，在环形稀布天线阵列的四分之一象限内，设定阵列中心第一环上初始单元的初始半径，即在极坐标中，初始单元距离天线阵列中心的矢径为半波长，极角为

则第二环上，阵列单元分布的矢径为：

r2＝r1+δr2，其中，δr2是第二环和第一环的半径差，也是第二环上相邻阵列单元之间的弧长；

则第n+1环(n＝1,2,3…)，阵列单元分布的矢径为：

rn+1＝rn+δrn+1，其中

由上述公式可知，第n+1环上，四分之一象限内阵列单元的个数为：

其中，[]表示截断取整数；

根据第n+1环上，四分之一象限内陈列单元的个数可知，第n+1环上的阵列单元间极角差为：；

则在第n+1环上，四分之一象限内每个阵列单元的最终极角可表示为：

其中m＝0.5,1.5,2.5...(nn+1-0.5)，δψ是每个环上阵列单元极角上增加的角度扰动参数，可以按照环数线形变化，也可以随机变化。

将m＝0.5，m＝1.5…m＝(nn+1-0.5)依次代入上述公式，即得到第n+1环上，四分之一象限内每个阵列单元的最终极角值。

根据上述公式，利用递归方式，可以得到四分之一象限所有阵列单元的极坐标，再利用轴对称变换，就能得到其他三个象限的阵列单元的极坐标，从而得出一圆环形稀布天线阵列的阵列单元布局。天线轴对称分布，可以得到较好的天线差方向图。

在另一个实施例中，上述环形稀布天线阵列可以为椭圆环形稀布天线阵列。即天线整列的每一环为椭圆形。

示例的，在一个具体实施方案中，对于长轴、短轴分别为a和b的椭圆环形稀布天线阵列，利用椭圆方程将椭圆环形天线阵列转化为归一化半径的圆环形天线阵面，归一化圆环形天线阵列半径为：

基于该半径r，根据上一个圆环形稀布天线阵列具体实施方案中的设计方法，计算得到归一化圆环形天线阵列每个阵列单元的归一化极坐标，具体计算过程参考上一个具体实施方案，在此不做赘述。

将得到的每个阵列单元的归一化极坐标根据以下公式转化为实际的椭圆环形稀布天线阵列的阵列单元的直角坐标：

这样，即得到了椭圆环形稀布天线阵列的阵列单元布局。

示例的，假设一椭圆环形稀布天线阵列在y方向的长轴a为500mm，x方向的短轴b为400mm，天线阵列中心第一环上阵列单元分别到x轴和y轴的初始间距为dx＝5mm，dy＝6mm，则椭圆环形稀布天线阵列归一化后的初始单元矢径为：

根据上述具体实施例中的方法，递归计算出所有阵列单元的极坐标，并且转化为实际的直角坐标，再经过轴对称变换后，得到了如图2所示的椭圆环形稀布天线阵列的阵列单元布局。示例方案中所得的天线阵列中阵列单元数仅为1536个，正常的规则的天线阵列则需要阵列单元5000个左右，由此可得出该椭圆环形稀布天线阵列的稀布率达到了30％，大大降低了天线成本。

上述实施例中的布局形式，栅瓣被完全抑制，在上述示例的椭圆环形稀布天线阵列布局形式下，若阵列单元同时采用微带准八木天线，则可压低天线的远区副瓣，在一定的扫描范围内，天线的副瓣可达到22db一下。如图3至图6所示，图3、图4分别是天线法线的俯仰方向图和方位方向图，副瓣电平分别为-22.84db和-24.87db；图5、图6分别是天线扫描到25°时的方位扫描方向图和俯仰扫描方向图，副瓣电平分别为-21.25db和-19.31db，并且空间内没有栅瓣出现。

本发明的实施例中，通过上述环形稀布天线阵列设计方法，天线单元环形分布，采用分布函数控制个阵列单元分布的疏密程度，阵列单元的位置分布是非周期性的，一方面，打乱了电磁波在空间的相位叠加关系，使天线在主波束以外的方向，相位不会叠加，可有效抑制栅瓣对天线性能的影响，另一方面，此方法设计的天线各项性能均能保持最优，减少了天线单元数量，天线稀布率低，大大降低了天线的成本。

本示例实施方式中其次提供了一种环形稀布天线阵列，由上述任一实施例所述环形稀布天线阵列设计方法设计而成。

本示例实施方式还可以提供一环形稀布天线，该环形稀布天线包括上述任一实施例中所述环形稀布天线阵列。该环形稀布天线还可以包括共形天线罩、tr组件、馈电网络、波控器、电源与封装外壳等，当然并不限于此，这些均可参考现有技术，此处不再详述。

本发明上述实施例中的环形稀布天线阵列以及环形稀布天线，其中的阵列单元环形分布，且采用分布函数控制个阵列单元分布的疏密程度，阵列单元的位置分布是非周期性的，一方面，打乱了电磁波在空间的相位叠加关系，使天线在主波束以外的方向，相位不会叠加，可有效抑制栅瓣对天线性能的影响，另一方面，此方法设计的天线各项性能均能保持最优，减少了天线单元数量，天线稀布率低，大大降低了天线的成本。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。