基于爱因斯坦图案的稀疏阵列天线

本发明属于天线，尤其涉及一种稀疏阵列天线，可用于雷达、通信、导航、信息对抗。

背景技术：

1、以有源相控阵为代表的大型阵列天线是现代雷达、导航、通信等无线电应用系统的核心设备之一。受波束宽度、增益和栅瓣、副瓣控制的约束，在大型相控阵的研制中，单元排列是一个非常重要的研究内容。经典的相控阵排列以矩形和三角形栅格结构为主。这类阵列的扫描、低副瓣控制等特性均可借助解析算法进行精确的计算。但由于其周期性的排列方式，单元的间距δd和波长λ及扫描范围θ0之间受到δd＜λ/(1+|sinθ0|)对应的不可逾越的栅瓣约束限制。与此同时，波束宽度和口径尺寸之间呈现反比例关系。

2、在大型相控阵列中，当高精度探测分辨要求对波束宽度提出窄波束要求时，对应的大口径和单元间距约束迫使人们采用大量的单元来构建阵列。而对于有源相控阵，每个阵元后端都需要连接一个t/r组件，大规模t/r组件构成的收发馈电系统结构复杂、成本高昂、功耗巨大。此外，在大型阵列中，阵列背面上的连接结构随着工作频率的提高与天线单元尺寸形成严重的冲突。因此，必须从阵列天线辐射机理出发，增加其设计自由度，减少单元规模，探索新型阵列天线的可能形式。

3、近年来人们提出了基于稀疏阵列、稀布阵列以及非均匀子阵等阵列构建方式，并辅助以对应的大规模波束扫描幅相控制优化算法来形成对应的硬件设计和软件控制系统，并逐步成为目前低成本相控阵列设计的主流技术之一。

4、申请号为202310759699.9的专利申请文献公开了一种基于蛇优化算法的共形稀疏阵列优化方法，其首先根据要求设定阵列半径与阵元数目，使用sobol序列生成初始种群，接着进入迭代循环，进行柯西变异判断，设置最大旁瓣抑制准则，然后使用蛇优化算法进行优化，判断flag标志，是否替换适应度最差个体，最后保留最大旁瓣抑制效果最优的个体，保存其阵列排布，考虑是否迭代完成，若未完成，则重新回到迭代循环；若完成，输出阵列排布。该方法利用蛇算法在解决非线性、全局优化等复杂问题时，虽然能在保证稀疏阵列收敛速度快的同时提高对阵列最大旁瓣的抑制效果，但也带来了频带内扫描特性遍历无法保障及收敛性无法保障的问题。

5、申请号为202210881851.6的专利申请文献公开了基于麻雀搜索算法与阵列加权的稀布阵列天线优化方法，首先确定矩形稀布阵列天线的阵列口径、阵元数量和阵元最小间距，接着建立天线的优化目标和相关约束条件，然后采用麻雀搜索算法对阵元位置进行优化，在此基础上再利用kaiser窗函数进行阵列加权的方式优化激励幅值，最后得到最优的阵列天线峰值副瓣电平值及其对应的位置分布。该方法利用麻雀搜索算法与阵列加权的稀布阵列天线优化方法，在实现所需的副瓣电平抑制和波束宽度的同时，虽然完成了对阵列副瓣的控制，但不可避免的带来了巨大的计算量，对阵列设计的成功率与效率造成了影响。

6、申请号为202111305992.5的专利申请文献提供了一种基于非均匀子阵结构的低副瓣波束赋形方法，其首先对主瓣区域、副瓣区域、子阵类型及个数预设，接着建立非均匀间距子阵优化模型，然后采用惩罚分解算法求解优化模型，最后输出阵元激励及子阵结构。该方法相较于传统子阵级波束赋形方法，在相同子阵个数约束的条件下，虽然能够获得更低的主瓣纹波和副瓣电平，但由于不同子阵使得单元面临不同的周边电磁边界，导致单元特性不统一的问题。

7、上述方法都需要借助大量的几何分布数值优化，且这种几何层面的优化还需要辅助以对应的幅相控制优化，即这些几何优化的每一个候选体原则上都需要进一步在所有频率、所有扫描状态的组合下进行计算验证和评估。当面对大规模阵列的时候，单个给定阵列结构的评估已经给电磁仿真计算带来很大的挑战，候选群体的优化和不断迭代更新更是形成了难以满足的巨量计算需求。尽管人们采用各种近似计算和优化技术来不断改进这一策略，但仍然面临着计算量巨大、时间过长、频带内扫描特性遍历无法保障及收敛性无法保障的问题。大大限制了大规模稀疏阵列的设计效率和应用范围。与此同时，所构建的阵列由于稀疏、稀布甚至非均匀子阵使单元面临不同的周边电磁边界，带来了单元特性不统一等问题。

技术实现思路

1、本发明在于针对上述现有技术存在的问题，提出一种基于爱因斯坦图案的稀疏阵列天线，以降低阵列生产成本，减少阵列优化计算量，统一单元特性，提高阵列天线设计效率与成功率。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下

3、一种基于爱因斯坦图案的稀疏阵列天线，包括：多个天线单元、多个馈电路径、幅度控制单元和相位控制单元，每个馈电路径连接一个天线单元，幅度控制单元对发射信号、接收信号进行放大，相位控制单元对信号相位进行控制，实现阵列波束扫描，其特征在于，每个天线单元规格统一，由具有十三边形的爱因斯坦图案形状天线辐射器组成，这些具有爱因斯坦图案形状的天线单元通过非周期排列组成阵列。

4、进一步，所述爱因斯坦图案形状的天线单元，其外形为与爱因斯坦图案单元边界一致，或者满足可均匀非周期拓扑铺设但小于爱因斯坦图案边界。

5、进一步，所述爱因斯坦图案形状，是由16个30°角的直角三角形构成的不规则十三边形。

6、进一步，所述对爱因斯坦图案形状天线单元进行非周期排列组阵，是分别基于1个、2个、4个十三边形爱因斯坦图案形成四类不同的拼接簇t、h、p、f；再用这些拼接簇按照爱因斯坦图案单元不同指定边的连接规则交互匹配紧贴。

7、进一步，所述四类不同的拼接簇，其结构如下：

8、用1个爱因斯坦图案形成三角形的拼接簇t，该三角形拼接簇t包括a+边，a-边，b+边；

9、用4个爱因斯坦图案形成六边形的拼接簇h，该六边形拼接簇h包括x+边、x-边、a+边、b-边；

10、用每2个爱因斯坦图案分别形成平行四边形拼接簇p和五边形拼接簇f，其中，平行四边形拼接簇p包括l边，x+边，x-边，a-边，b+边，五边形拼接簇f包括l边，x+边，x-边，f-边，f+边，b+边。

11、进一步，所述按照爱因斯坦图案不同指定边的连接规则对基础拼接单元进行交互匹配紧贴，其连接关系如下：

12、将拼接簇f的f+边与拼接簇f的f-边相接；

13、将拼接簇t的a-边与拼接簇h的a+边相接；

14、将拼接簇t的b+边与拼接簇h的b-边相接；

15、将拼接簇p的x-边、l边分别与拼接簇f的x+边、l边相接；

16、将拼接簇h的x-边、b-边分别与拼接簇p的x+边、b+边相接；

17、将拼接簇p的x+边、a-边分别与拼接簇h的x-边、a+边相接；

18、以此连接实现无限大平面的非周期性密铺。

19、进一步，所述爱因斯坦图案形状的重心由积分法提取，该重心为天线辐射器放置的位置。

20、进一步，所述幅度控制单元包括限幅器、低噪声放大器和功率放大器，

21、该限幅器限制输入信号幅值，避免对后续电路造成损害，

22、该低噪声放大器对输入信号进行放大，减少噪声的影响，

23、该功率放大器对输入信号进行放大并输出。

24、进一步，所述相位控制单元包括数控移相器、数控衰减器，该移相器控制各路输入信号的相位，该衰减器控制信号幅度来抑制副瓣电平和补偿通道间增益误差。

25、进一步，所述阵列天线中的天线单元等效间距约为0.7～1.5个波长，大于传统均匀周期栅格阵列天线单元半波长的间距。

26、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

27、1.成本低。

28、在经典的阵列拓扑中，均匀单元必然带来周期性的排列。本发明由于采用爱因斯坦拓扑图形的天线单元，在拓扑学上可严格证明其能完成紧密的非周期性排列，其天线单元等效间距约为0.7～1.5个波长，大于传统均匀周期栅格阵列天线单元半波长间距，使得在相同的天线孔径面积下，本发明所需的天线单元更少，满足大批量的低成本生产要求。

29、2.效率和成功率高。

30、传统阵列稀疏稀布优化方法需要借助大量的几何分布数值优化，且这种几何层面的优化还需要辅助以对应的幅相控制优化，本发明为前向设计，不需迭代优化，可避免对天线单元几何分布的算法优化，从而大大减少了计算量，具有更高的效率与成功率。

31、3.单元特性一致性好。

32、在传统稀疏稀布策略下，天线单元特性会因电磁边界变化带来不一致，从而导致单元方向图和有源驻波畸变，方向图畸变单元比例过大会影响整个阵列的合成方向图，而有源驻波畸变会影响使用载体的安全性。本发明基于爱因斯坦图案形状的天线单元尺寸形状统一，周边电磁边界一致，能有效避免天线单元方向图和有源驻波畸变，保障使用载体的安全性。

33、4.无栅瓣。

34、传统阵列天线会因为其周期性排列而产生栅瓣，使得天线的辐射功率分散，天线增益降低，从而导致天线在雷达和通信系统无法应用，本发明采用的非周期性阵列排列使得增大阵列单元间距的同时并不因为周期性形成栅瓣，从而为大比例稀疏阵列的设计提供了良好的基础。