一種基于截斷效應(yīng)補償?shù)挠邢揸囉性捶瓷湎禂?shù)計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微波天線技術(shù)，涉及對有限陣有源反射系數(shù)計算方法的改進。
【背景技術(shù)】
[0002] 有限陣列特性的研究一直受到廣泛的關(guān)注，特別是近年來，隨著相控陣天線在工 程中的推廣應(yīng)用及對其電磁性能要求的不斷提高，建立準確高效的有限陣陣列分析方法， 提高互耦效應(yīng)與邊緣效應(yīng)分析計算的精度與效率問題成為有限陣列分析和設(shè)計中的突出 問題。相控陣單元間的互耦效應(yīng)與邊緣效應(yīng)通?？梢杂糜性捶瓷湎禂?shù)進行表征，它通過影 響陣面的電磁流分布來改變陣列的輻射特性，甚至導(dǎo)致陣列出現(xiàn)掃描盲點現(xiàn)象，所以設(shè)計 相控陣天線時必須充分考慮單元互耦以及邊緣效應(yīng)的綜合影響。如何解決有限陣列單元互 耦與邊緣效應(yīng)的綜合計算問題，如何兼顧陣列結(jié)構(gòu)的分析精度與計算效率間的矛盾，是目 前有限陣特性研究中的突出問題，研究有限陣特性分析與設(shè)計方法具有很高的理論價值和 重要的現(xiàn)實意義。
[0003] 有關(guān)陣列有源反射系數(shù)的計算參考文獻[1 ]，[ 1 ]Gomez-Tagle，J，Christodoulou， C·G，"Broadband characterization of the active reflection coefficient offinite-sized phased array microstrip antennas，'，Phased Array Systems and Technology，IEEE，pp. 255-258，2000.最常用的就是如矩量法、有限元、時域有限差分等精 確數(shù)值分析方法，不受陣列周期性和單元排布的限制，缺點是完全依賴數(shù)值計算，計算效率 比較低，特別是針對電大尺寸的陣列規(guī)模。另外很多人提出基于考慮互耦效應(yīng)的無限陣方 法分析有限大陣列特性，該方法模型簡單易于計算，可以快速有效地設(shè)計大規(guī)模陣列的中 心單元和近似其電磁性能，缺點是不考慮實際設(shè)計中涉及的邊緣效應(yīng)影響。在此基礎(chǔ)上，考 慮有限陣的邊緣效應(yīng)，對無限陣方法進行修正或?qū)τ邢揸嚪椒ㄟM行改進，然而有限大陣列 電磁性能計算過程復(fù)雜，計算量大，分析效率還是不高，參考文獻[2]。[2]Rob Maaskant， Raj Mittra,uFast analysis of large antenna arrays using the characteristic basis function method and the adaptive cross approximation algorithm，'， Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，vol·56，no·11，pp·3440-3451， Nov.2008.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是:提出一種基于截斷效應(yīng)補償?shù)挠邢揸嚵杏性捶瓷湎禂?shù)快速計算 方法，以便有效地提高大規(guī)模有限陣列有源反射系數(shù)計算效率與計算精度。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于截斷效應(yīng)補償?shù)挠邢揸囉性捶瓷湎禂?shù)計算方法， 其特征在于:計算的步驟如下：
[0006] 1、確定初始參考陣列圈數(shù):通過分析不同規(guī)模大小的有限大陣列天線的截斷效 應(yīng)，確定初始參考陣列規(guī)模大小圈數(shù)為N;
[0007] 2、計算圈數(shù)為N的初始參考陣列的互耦系數(shù)；
[0008] 采用全波算法計算初始參考陣列中中心單元與各單元的互耦系數(shù)Sli，其中1表示 初始參考陣列中心單元，i表示初始參考陣列中的任意單元，i = 1，2···Μν ;
[0009] 其中Μν表示圖6漸變開槽單元組成的有限大陣列示意圖中所示的陣列圈數(shù)為Ν時 的單元個數(shù)，Μν與圈數(shù)Ν的關(guān)系為：
[0011] 3、推算圈數(shù)為Ν+1陣列的互耦系數(shù)：
[0012]當(dāng)陣列規(guī)模大小圈數(shù)增加到Ν+1時，基于初始參考的Ν圈陣列中的互耦系數(shù)Slj，采 用互耦系數(shù)外推法公式2推算出陣列第N+1圈中中心單元與各單元的互耦系數(shù)Slj，其中j表 示N+1圈陣列中的任意單元，j = l，2···Μν+ι;
[0013]其中Μν+1表示圖6漸變開槽單元組成的有限大陣列示意圖中所示的陣列圈數(shù)為Ν+1 時的單元個數(shù)，根據(jù)公式1的關(guān)系式可以計算得到；
[0014] Si,n+i = Si,n+(Si,n-Si,n-i) (2)
[0015]在公式2中各符號的含義為：
[0016] S1>N+1表示圖6漸變開槽單元組成的有限大陣列示意圖中所示的陣列圈數(shù)為N+1時， 陣列中心單元與其余各單元的互耦系數(shù)；
[0017] ShN表示圖6漸變開槽單元組成的有限大陣列示意圖中所示的陣列圈數(shù)為N時，陣 列中心單元與其余各單元的互耦系數(shù)；
[0018] Si,η表示圖6漸變開槽單元組成的有限大陣列示意圖中所示的陣列圈數(shù)為N-1時， 陣列中心單元與其余各單元的互耦系數(shù)；
[0019] 4、計算圈數(shù)為Ν+1陣列的有源反射系數(shù)：
[0020]根據(jù)陣列第Ν+1圈中中心單元與各單元的互耦系數(shù)Slj，其中j表示Ν+1圈陣列中的 任意單元，j = 1，2···Μν+ι，由公式3可以得到N+1圈陣列中心單元的有源反射系數(shù)R;
[0022]其中R表示有源反射系數(shù)；
[0023] 表示中心單元和第j個單元的互耦系數(shù)；
[0024] al表示N+1圈陣列中中心單元的激勵場強；
[0025] aj表示N+1圈陣列中第j個單元的激勵場強；
[0026] 5、計算所需規(guī)模陣列有源反射系數(shù)：當(dāng)陣列規(guī)模大小圈數(shù)進一步增大時，重復(fù)上 述步驟3和步驟4,通過迭代可得到任意規(guī)模大小陣列中單元的有源反射系數(shù)。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點是:提出了一種基于截斷效應(yīng)補償?shù)挠邢揸嚵杏性捶瓷湎禂?shù)快速計 算方法，有效地提高了大規(guī)模有限陣列有源反射系數(shù)計算效率與計算精度。采用基于截斷 效應(yīng)補償?shù)挠邢揸囉邢揸嚵杏嬎惴椒?，?jīng)互耦系數(shù)外推法獲得的有限大陣列有源反射系數(shù) 與全波算法仿真所得的有源反射系數(shù)相比，有源駐波趨勢與數(shù)值吻合良好，驗證基于截斷 效應(yīng)補償?shù)挠邢揸嚵杏性捶瓷湎禂?shù)快速計算方法的有效性，以在10倍波長的有限大陣列為 例，其所占內(nèi)存僅為全波仿真1/3的基礎(chǔ)上，運算時間由原來的106小時變?yōu)?5.5小時，計算 效率提高了約10倍，可應(yīng)用于有限大陣列特性的快速分析與計算。
【附圖說明】
[0028]圖1是漸變開槽單元三維模型。
[0029]給出了漸變開槽單元按E面與Η面示意。
[0030]圖2是漸變開槽單元Ε面線陣。
[0031]以圖1所示的漸變開槽單元按Ε面單元間距沿Ε面進行陣列構(gòu)成的線陣。
[0032]圖3是漸變開槽單元Ε面線陣各單元有源阻抗。
[0033]圖中橫坐標Num代表Ε面單元數(shù)，0代表中心單元，縱坐標Zact代表各單元的特性阻 抗，單位為歐姆，圖中不同的曲線代表兩倍、四倍、六倍、八倍以及十倍波長陣列不同位置各 單元的特性阻抗，通過中心單元特性阻抗波動情況選擇E面陣面規(guī)模。
[0034]圖4是漸變開槽單元Η面線陣。
[0035] 以圖1所示的漸變開槽單元按Η面單元間距沿Η面進行陣列構(gòu)成的線陣。
[0036] 圖5是漸變開槽單元Η面線陣各單元有源阻抗。
[0037] 圖中橫坐標Num代表Η面單元數(shù)，0代表中心單元，縱坐標Zact代表各單元的特性阻 抗，單位為歐姆，圖中不同的曲線代表兩倍、四倍、六倍、八倍以及十倍波長陣列不同位置各 單元的特性阻抗，通過中心單元特性阻抗波動情況選擇Η面陣面規(guī)模。
[0038] 圖6是漸變開槽單元組成的有限大陣列示意圖。
[0039]圖中代表輻射單元的位置坐標，成三角形分布，連接形成的若干六邊形代 表陣列圈數(shù)，示意圖給出了圈數(shù)形成方式。
[0040] 圖7是漸變開槽單元組成的有限大陣列模型。<