一种相控阵天线的制作方法

本实用新型涉及天线技术领域，特别是指一种相控阵天线。

背景技术：

相控阵天线具有灵活波束、任意指向和多波束等能力，在雷达、通信及电子战领域都有广泛的应用。然而，相控阵天线面临的最现实问题是：优良性能与复杂度和成本的折衷。

近几十年出现了降低阵元数目的非常规阵列设计，如稀疏阵列和稀布阵列等可以达到低旁瓣的设计要求，同时降低阵列的成本。然而，早期的稀疏阵列和稀布阵列关注单元级的布阵设计，阵元的位置排布不规则，不利于工程应用的模块化，且破坏电磁场边界的连续性，另外，口面利用效率也不高。

近些年，随着微波及毫米波阵列的模块化需求，子阵级架构得到广泛认可，将子阵与稀疏、稀布或不规则布阵等特殊布阵技术相结合，初步兼顾了性能、成本与模块化的应用需求，然而目前子阵与特殊布阵结合的技术还有以下不足：

1、阵列口面效率低的问题依然存在；

2、不论采用何种布阵技术，均需要移动天线单元或子阵的位置，给阵列结构和安装带来不可避免的复杂性；

3、阵列天线设计完成后，受单元间距所限，阵列结构及性能参数基本固定，扩展困难。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种相控阵天线，其能够有效降低阵列的数目，降低阵列的成本和复杂度，便于扩展，并具有优良的性能和口面效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种相控阵天线，其包括周期布阵的子阵模块，所述子阵模块包括多个天线单元、与天线单元连接的收发组件模块以及与收发组件模块连接的波束合成网络，所述多个天线单元以均匀间距规则排列，天线单元之间的间距大于一个信号波长；所述天线单元根据相位中心的偏置位置分为多种类型，不同种类天线单元的相位中心位于不同的偏置位置，天线单元增益的口径效率大于90％。

可选的，所述天线单元共有两种类型。

本实用新型相比现有技术的有益效果为：

1、本实用新型基于阵列的规则排布进行设计，阵列结构方便装配和拆卸，适合工程化生产，也适合维修的可更换性，有助于大型阵列性能参数的拓展。

2、本实用新型基于高增益、大间距的天线单元进行阵列设计，与稀疏和稀布阵相比具有更高的口面利用效率。

3、本实用新型具有与常规周期阵几乎相同的满效率，却拥有比周期阵更低的阵元个数和成本。

附图说明

图1是本实用新型实施例中相控阵天线的结构示意图。

图2是本实用新型实施例中设计方法的流程图。

图3(a)和图3(b)是本实用新型实施例中相控阵天线的设计参数关系仿真图。

图4是本实用新型实施例中相控阵天线的相位中心偏置位置图。

图5是本实用新型实施例中相位中心偏置的相控阵天线与常规周期阵的方向图。

图中，1、天线单元，2、相位中心偏置位置，3、物理中心，4、收发组件模块，5、波束合成网络。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步的说明。

一种相控阵天线，其包括周期布阵的子阵模块，所述子阵模块包括多个天线单元、与天线单元连接的收发组件模块以及与收发组件模块连接的波束合成网络，所述多个天线单元以均匀间距规则排列，天线单元之间的间距大于一个信号波长；所述天线单元根据相位中心的偏置位置分为多种类型，不同种类天线单元的相位中心位于不同的偏置位置，天线单元增益的口径效率大于90％。

可选的，所述天线单元共有两种类型。

上述相控阵天线的设计方法，其包括如下步骤：

步骤1，根据相控阵天线的扫描范围指标要求±θ，选取天线单元设计形式，设计天线单元的波束宽度为2θ，得到天线单元的增益G0和天线单元的口面尺寸a；

步骤2，根据相控阵天线的增益要求G和天线单元的增益G0，按照天线单元均匀电流分布的增益，求得天线单元间距b，b≥a，并得到相控阵天线的总增益G以及天线单元的数目N＝G/G0；

步骤3，对N个天线单元的相位中心的偏置位置进行优化，具体方式为，设置相位中心的横向最大偏置值为±dm、纵向最大偏置值为±dn，采用遗传算法对天线单元的相位中心偏置值进行二进制编码，所述相位中心偏置值由横向偏置值和纵向偏置值组成，基于扫描角度要求±θ，求解满足栅瓣和旁瓣抑制条件的相位中心偏置值，其中，优化目标是使栅瓣和旁瓣电平达到最小值，优化约束条件是预先设定的具有不同相位中心偏置值的天线单元的种类数目；优化后得到N个天线单元的相位中心偏置值以及各天线单元的分布位置；

步骤4，根据相位中心偏置位置的优化结果，进行各类天线单元的相位中心偏置设计；若相位中心的偏置位置对天线单元增益的影响不超过0.4dB，则转入步骤5，否则，返回步骤1，降低增益G0，获得新的口面尺寸和阵元间距，重新进行相位中心偏置设计；

步骤5，若相邻天线单元的相位中心相向偏置，则进行天线单元之间的耦合分析，若对天线单元的增益影响不超过0.1dB，则设计完成，否则，返回步骤3，减小相位中心的横向、纵向最大偏置值，重新进行相位中心偏置设计。

上述相控阵天线的扩展方法，其包括如下步骤：

步骤1，确定相控阵天线的扩展要求，所述扩展要求包括频率扩展要求、扫描范围扩展要求±θs和增益扩展要求Gs；

步骤2，基于原天线单元的口面尺寸a、间距b、增益G0，根据增益扩展要求Gs，得到扩展后天线单元的数目

步骤3，基于原相位中心的横向最大偏置值±dm和纵向最大偏置值±dn，以及原天线单元种类数目Nbits，对Ns个天线单元的相位中心偏置位置进行优化；具体方式为，采用遗传算法对天线单元的相位中心偏置值进行二进制编码，所述相位中心偏置值由横向偏置值和纵向偏置值组成，基于扫描范围扩展要求±θs和频率扩展要求，求解满足栅瓣和旁瓣抑制条件的相位中心偏置值，其中，优化目标是使栅瓣和旁瓣电平达到最小值；优化后得到Ns个天线单元的相位中心偏置值以及各天线单元的分布位置；

步骤4，维持原相控阵天线的天线单元间距、收发组件模块位置和结构框架不变，仅按照步骤3得到的优化结果更换或重排各天线单元，实现相控阵天线的频率和扫描范围的扩展；

步骤5，增加子阵模块的数目，按照步骤3得到的优化结果布置新增子阵模块上的天线单元，实现相控阵天线的增益扩展。

一般来说，常规阵列均为量身定制，相控阵天线制造完成后，若需求参数发生变化，或有其他新的需求，则几乎需要重新设计，阵列的周期和成本都不可忽视，可扩展性很难。而本实用新型这种相位中心偏置的阵列架构则具有可扩展能力。如频率、扫描范围以及增益等性能指标需求拓展时，由于有源部分的组件一般具备宽带的特点，在符合组件性能的前提条件下，重新优化相位中心偏置的组合位置关系，仅仅更换具有不同相位中心偏置位置的天线单元即可，其他部分均可维持不动或微改。可见，本实用新型相控阵天线具有优良的拓展能力，有助于降低阵列的成本，并促进商业化应用。

具体来说，如图1所示，一种相控阵天线，其包括周期布阵的子阵模块，所述子阵模块包括多个天线单元1、与天线单元1连接的收发组件模块4以及与收发组件模块4连接的波束合成网络5，所述多个天线单元以均匀间距规则排列，天线单元之间的间距大于一个信号波长；所述天线单元根据相位中心的偏置位置分为多种类型，不同种类天线单元的相位中心位于不同的偏置位置(即，相位中心偏置位置2与物理中心3不重合)。

图4为三角形排布、相位中心偏置的相控阵天线的示意图，阵元间距为1.14λ(即1.14倍波长)，单元数目为397阵元，圆圈代表天线单元，黑点代表天线单元的相位中心，阵列外形排布为六边形。

扫描范围设计为±23°，单元天线的口面直径设计为1.14λ。

相位中心的偏置值分别选择+0.48λ和-0.48λ两种情况，针对扫描范围±23°进行相位中心偏置位置的优化，优化后的相位中心偏置的位置布局如图4所示。

该相控阵天线的方向图如图5所示，横轴为扫描角度θ，纵轴为该阵列的阵因子方向图函数F。虚线为相位中心未移动时的常规周期阵列方向图，此时单元天线的物理中心与相位中心重合，由于大间距的影响，方向图的主瓣指向23°，栅瓣出现在-39°，栅瓣的高度与主瓣几乎等高度。经过相位中心的偏置优化后，相位中心偏置阵列的方向图如实线曲线所示，最大的栅瓣及旁瓣电平为-11dB，满足了性能指标的设计要求。

上述相控阵天线的设计方法如图2所示，具体步骤如下：

(1)根据阵列的扫描范围指标要求±θ，选取天线单元设计形式，设计天线单元的波束宽度为2θ，得到天线单元的增益G0和天线单元的口面尺寸a。

①常规阵列设计间距指按照无栅瓣条件的经典公式，如采用常规周期矩形布阵，扫描至±θ时，无栅瓣的间距条件为d0≤λ/(1+sinθ)。其中，d0为阵元的常规间距，λ为最高工作频率对应的自由空间波长，θ为阵列扫描范围的最大角度，因此常规周期阵天线单元的口面尺寸a≤d0。

②根据扫描至边缘角θ的增益要求，设计单元天线的方向图形状及波束宽度HPBW≥2θ，在此设计前提下，尽量提高单元的设计增益G0，使波束宽度HPBW＝2θ，得到天线单元的口面尺寸a。

(2)根据单元的增益G0，按照天线单元均匀电流分布的增益，求得天线单元间距b，且满足b≥a，该尺寸b通常比常规相控阵天线设计的间距d0要大。使最终相控阵天线的总增益与阵元数目满足N＝G/G0，此公式关系，即阵元间的相互耦合影响较少。

根据步骤1中设计的单元天线，进行组阵设计，由于阵元间互耦的影响，时常导致阵列的总增益G＜NG0，在此基础上，不断扩大阵元间的间距d0至b，直至相控阵天线的总增益刚好满足G＝NG0，此时相控阵天线的口面效率几乎达到100％，若此时再继续扩大间距b，则相控阵天线的总增益几乎不变，而间距扩大导致相控阵天线口面增大，从而会导致相控阵天线口面效率降低。

(3)根据天线单元间距b和天线单元数目N，对N个天线单元的相位中心的偏置位置进行优化，设置相位中心的横向最大偏置值为±dm、纵向最大偏置值为±dn，采用遗传算法对天线单元的相位中心偏置值进行二进制编码，所述相位中心偏置值由横向偏置值和纵向偏置值组成，基于扫描角度要求±θ，求解满足栅瓣和旁瓣抑制条件的相位中心偏置值，其中优化目标是使栅瓣和旁瓣电平达到最小值，优化约束的条件是预先设定的相位中心偏置值的天线单元的种类数目，优化后得到N个天线单元的相位中心偏置值以及各天线单元的分布位置。。

①如图2所示，阵列天线的相位中心距离物理中心的最大偏置值分别为dm和dn，优化目标C^opt，使阵列的栅瓣和旁瓣电平能够达到最小值：

其中，GLL(|F(u，v)|²)和SLL(|F(u，v)|²)分别代表方向图函数F(u，v)的栅瓣和旁瓣电平，Nbits是相位中心偏置值dm和dn的天线单元的种类数目。

②采用遗传算法进行优化，相位中心横向最大偏移量为±dm、纵向最大偏移量为±dn，天线单元的种类数目Nbits，以及天线单元的数目Nx×Ny的关系如图3所示。由图3(a)可知，横轴表示相位中心偏置值的范围，纵轴表示目标函数，相位中心偏置量dm取值越大越好，不同线型的曲线代表阵元的个数Nx，随着阵元数目的增多，目标值逐渐降低。由图3(b)可知，横轴表示相位中心偏置的天线单元种类，纵轴表示目标函数，相位中心的偏置天线单元种类Nbits影响不大，不同线型的曲线表示随着阵元数目Nx越大，目标值越低。

(4)根据相位中心偏置位置的优化结果，进行各类天线单元的相位中心偏置设计，若相位中心的偏置位置对天线单元增益的影响不超过0.4dB，则转入步骤5，否则，返回步骤1，降低增益G0，获得新的口面尺寸和阵元间距，重新进行相位中心偏置设计。

根据图3的优化结果，得到相位中心偏置的最佳情况，然后进行单元天线的相位中心偏置设计，通过改变单元天线的激励方式或口面电流分布，得到偏置中心的单元天线方向图，原则上应维持步骤1中单元增益的初始设计，若对增益的影响超过0.4dB，则需要改变口面尺寸和阵元间距，重新进行相位中心偏置设计。

若相邻天线单元的相位中心相向偏置，则进行天线单元之间的耦合分析，若对天线单元的增益影响不超过0.1dB，则设计完成，否则，返回步骤3，减小相位中心的横向、纵向最大偏置值，重新进行相位中心偏置设计。

上述相控阵天线的扩展方法具体步骤如下：

(1)确定相控阵天线的扩展要求，所述扩展要求包括频率扩展要求、扫描范围扩展要求±θs和增益扩展要求Gs。

(2)基于原天线单元的口面尺寸a、间距b、增益G0，根据增益扩展要求Gs，得到扩展后天线单元的数目

(3)基于原相位中心的横向最大偏置值±dm和纵向最大偏置值±dn，以及原天线单元种类数目Nbits，对Ns个天线单元的相位中心偏置位置进行优化；具体方式为，采用遗传算法对天线单元的相位中心偏置值进行二进制编码，所述相位中心偏置值由横向偏置值和纵向偏置值组成，基于扫描范围扩展要求±θs和频率扩展要求，求解满足栅瓣和旁瓣抑制条件的相位中心偏置值，其中，优化目标是使栅瓣和旁瓣电平达到最小值；优化后得到Ns个天线单元的相位中心偏置值以及各天线单元的分布位置。

(4)维持原相控阵天线的天线单元间距、收发组件模块位置和结构框架不变，仅按照步骤3得到的优化结果更换或重排各天线单元，实现相控阵天线的频率和扫描范围的扩展。

(5)增加子阵模块的数目，按照步骤3得到的优化结果布置新增子阵模块上的天线单元，实现相控阵天线的增益扩展。

本实用新型从工程应用的模块化和便于维修替换的角度进行设计，其采用规则结构、规则组件、规则馈电位置、规则等间距的架构，阵元间采用大间距布阵设计，有效降低阵列的数目，从而降低阵列的成本和复杂度；天线单元采用相位中心偏置和高增益设计，在高口面效率下，使阵列栅瓣和旁瓣电平满足性能的要求。

总之，本实用新型的规则阵列架构具有较高的口面利用效率，以及较低的阵元个数和成本，适合工程化的装配和量产，便于大型阵列性能参数的拓展。

以上所述仅是本实用新型的一个实施例。应当指出，在不脱离本实用新型原理和构思的前提下，所做的修改、变化等，均应落入本实用新型的保护范围。