可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法与流程

本发明涉及阵列天线，具体涉及一种可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法。

背景技术：

1、宽带天线在无线通信、雷达探测及导航中具有很重要的作用。在实际应用中，天线往往需要在俯仰面实现较宽角度范围内波束扫描，同时扫描过程中方位面实现所需宽波束内的增益覆盖。而宽带高增益性能和扫描宽波束这两者之间本身存在着一定的矛盾，一方面，波束宽度与天线工作频率相关，如相较于高频点在俯仰面和方位面的波束宽度，低频点的波束宽度则会更宽；另一方面，波束宽度与扫描角相关，同一工作频点下随着扫描角的增大，波束宽度也会不断展宽。随着波束的展宽，增益在一定程度上有所下降，因此天线在宽带宽角扫描时实现方位面宽波束内的高增益覆盖具有很大的挑战性。

2、众所周知，按照传统的均匀间距进行宽带阵列设计时，单元间距较小则难以实现宽带单元天线结构设计，且容易在低频工作点产生很强的互耦影响；单元间距较大则容易在高频点波束扫描时出现栅瓣问题。而栅瓣的存在一定程度上分散了辐射能量从而降低了主瓣的增益。为了抑制栅瓣，中国专利cn201611199282.8公开了一种最小间距可控的超宽带无栅瓣稀疏线阵设计方法，该专利将宽频带内栅瓣/副瓣区域的电平值作为优化目标，通过非均匀布阵最大程度降低了栅副瓣的峰值电平。但是该专利并未涉及到扫描波束波宽及增益等性能，优化得到阵列虽然具有较低的栅副瓣电平，但存在出现高增益覆盖的波宽不满足要求的问题。中国专利cn00812635.6公开了另一种稀疏阵列天线，该天线不再需要非均匀布局，而是采用了一种三角形栅格布阵技术，克服了在扫描时出现栅瓣的问题。此外，若三角形栅格布局的阵列波束其方位面波宽不满足要求，可以潜在地阵元进行方位面波束赋形，进而将波束进行展宽。但是该方法需要的阵列通道数量多。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供一种可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法。该方法设计的天线在垂直方向上进行基于位置微扰的非均匀布局，以增强宽频带大扫描角时增益；在水平方向上均匀布阵并进行幅相优化来展宽方位维波束，最终生成实际应用所需的大扫描方位维高增益宽波束。该方法设计的布局结构简单、阵列通道少且系统成本低。

2、本发明采用的技术方案为：

3、一种可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1：将宽带宽角扫描波束综合问题转化为在单一设计频率下的侧射方向图综合；

5、步骤2：通过位置微扰对设计频点上的增益进行优化，从而达到增强工作频带内扫描角增益的目的；

6、步骤3：将优化得到的非均匀线阵沿水平方向等间隔复制，得到可分离二维非均匀布局的阵列；其中，水平方向上同一高度的单元看作一个子阵；对子阵进行考虑有源单元方向图的精确赋形波束综合，从而实现方位维宽波束的要求。

7、进一步地，步骤1的具体方式如下：

8、将宽带宽角扫描波束综合问题转化为在单一设计频率fd＝rfrufl下的侧射方向图综合；其中，rf＝fh/fl为天线工作频带的最高频fh与最低频fl的比值；ru＝1+|sin(θmax)|为波束扫描范围比，用来衡量波束扫描后可视空间的增量，θmax是偏离法向的最大扫描角；设计频率下的侧射方向图包含了整个频率范围内所有扫描波束的全部信息。

9、进一步地，步骤2中，对设计频点上的增益进行优化，在不考虑阵列的辐射效率时等价于对阵列方向性系数的优化，位置扰动后的设计频率上的最大方向性系数为：

10、

11、其中，βd＝2πfd/c表示设计频点上的波束；为位置微扰后的阵列方向图，θ是扫描角，n是阵元数量；f(βd,θ)为微扰前的阵列方向图，zn为微扰前的阵元在z轴上位置，δn表示第n个阵元的位置微扰量。

12、进一步地，步骤2中对设计频点上的增益进行优化的优化问题表示为：

13、min 1/dmax

14、

15、其中，μ决定位置微扰的幅度，dmin是阵列所允许的最小阵元间距，a是阵列所允许的最大口径，γsl是给定的副瓣区域峰值电平；

16、通过序列二次规划方法对式(3)问题进行多次迭代优化求解，最终得到高增益的稀疏线阵布局。

17、进一步地，步骤3中，对子阵进行考虑有源单元方向图的精确赋形波束综合，表述为：

18、

19、其中，优化目标为使水平维度波束宽度范围内最小方向性系数最大化，且方向性系数的计算中包含了有源单元方向图信息；约束条件为对激励幅度进行约束；

20、通过序列二次规划方法对式(2)问题进行多次迭代优化求解。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

22、1、本发明可实现可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线的设计，所谓的可分离二维的非均匀布局，即每一列来看是非均匀线阵，而每一行又是均匀间距线阵。每列中阵元布局由阵列的增益最大化综合所得，每行中单元作为一个可作为子阵进行波束赋形，从而得到实际应用所需的方位维高增益宽波束。该布局所需的阵列通道数量同非均匀线阵一样，节约了系统成本。

23、2、本发明在宽带宽角扫描阵列布局及设计时，垂直方向上以增强宽频带大扫描角的增益为优化目标进行非均匀布局。将该非均匀线阵沿水平方向等间隔复制得到可分离二维非均匀布局的阵列后，对水平方向上同一高度的若干单元组成的子阵进行精确赋形波束综合,从而实现方位维高增益宽波束的需求，且可对激励动态范围进行控制。本发明所提出的阵列布局结构简单、馈电通道少且系统成本低。

技术特征：

1.一种可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法，其特征在于，步骤1的具体方式如下：

3.根据权利要求2所述的可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法，其特征在于，步骤2中，对设计频点上的增益进行优化，在不考虑阵列的辐射效率时等价于对阵列方向性系数的优化，位置扰动后的设计频率上的最大方向性系数为：

4.根据权利要求3所述的可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法，其特征在于，步骤2中对设计频点上的增益进行优化的优化问题表示为：

5.根据权利要求4所述的可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法，其特征在于，步骤3中，对子阵进行考虑有源单元方向图的精确赋形波束综合，表述为：

技术总结
本发明提供了一种可分离二维非均匀布局宽带宽角扫描阵列天线设计方法，属于天线技术领域。该方法包括如下步骤：将宽带宽角扫描波束综合问题利用“设计频率”的概念转化为在单一设计频率下的侧射方向图综合。通过位置微扰得到设计频点上高增益波束的非均匀布局。将优化得到的非均匀线阵沿水平方向等间隔复制得到可分离二维非均匀布局的阵列。水平方向上同一高度的若干单元可看作一个子阵,并对子阵进行考虑有源单元方向图的精确赋形波束综合，从而实现方位维宽波束的要求。本发明提出的阵列布局结构简单、阵列通道少且系统成本低。

技术研发人员：姚志会,郑晓冬,杨再秀,叶红军,刘颜回,白晶晶,陈沛林,张磊,封天明
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十四研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16