專利名稱：由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有限掃描能力的高增益稀疏天線陣，特別是一種由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線。該技術(shù)可應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)而使陣元數(shù)大為減少，從而大大降低系統(tǒng)成本。
背景技術(shù)：
相控陣系統(tǒng)以其快捷的波束掃描模式、靈活的波形綜合以及更高的發(fā)射功率等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感和通信等領(lǐng)域。而相控陣天線是決定整個(gè)相控陣系統(tǒng)性能的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其好壞直接影響著全系統(tǒng)的分辨率、作用距離、體積和成本等指標(biāo)。但是，按照傳統(tǒng)天線陣的綜合理論，陣元間距需小于一個(gè)波長以避免形成柵瓣而降低主瓣增益；而當(dāng)要求工作于相掃描模式時(shí)，陣元間距限制更嚴(yán)格，通常取為0. 5波長。 這意味著更多的天線單元數(shù)量和T/R組件，使得相控陣系統(tǒng)造價(jià)變得相當(dāng)昂貴。稀疏天線陣可以在滿足性能的前提下減少陣元數(shù)量以實(shí)現(xiàn)低成本，因此得到了廣泛的研究。國內(nèi)外稀布陣的研究主要可以分為兩種1)硬實(shí)現(xiàn)方式，通過對周期性的滿陣按某些規(guī)律抽去一些陣元以實(shí)現(xiàn)稀布；2)軟實(shí)現(xiàn)方式，這種方式多用于合成孔徑輻射計(jì) (SIAR)或一些浮空平臺(tái)對地觀測，通過對稀疏陣在不同位置進(jìn)行頻率采樣，用信號處理的方式還原到類似滿陣的性能。前者能夠用較少的單元實(shí)現(xiàn)較窄的波束和較低的旁瓣電平， 但是其增益比滿陣有較明顯的下降，其下降幅度同稀布率等因素有關(guān)。這類稀布陣的研究多采用優(yōu)化算法或用窮舉法對旁瓣進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，缺乏直觀的解析理論且計(jì)算量較大，尤其是近來這類稀布陣往往采用微擾或非線性布陣(上限下限法/下限及指定口徑面) 進(jìn)行非均勻布陣以進(jìn)一步克服柵瓣，更增加了計(jì)算的復(fù)雜性(王玉峰、張建強(qiáng)等，“矩形平面稀疏陣的免疫算法優(yōu)化”，通信對抗，NO. 99,2007, pp :29-32; KUMAR B P and BRANNER G R. Generalized analytical technique for the synthesis of unequally spaced arrays with linear , planar , cylindrical or spherical geometry, IEEE Trans. Antennas Propagation，2005，53(2) : 621-634;陳客松、何子述，平面稀布天線陣列的優(yōu)化算法，電波科學(xué)學(xué)報(bào)，24( ，2009:193-198)；后者的稀布方式主要是利用了信號的后處理和校正，通過壓縮空間頻率的冗余度實(shí)現(xiàn)稀布，缺點(diǎn)是需要可觀的計(jì)算量且應(yīng)用范圍比較有限(保錚，張慶文.一種新型的米波雷達(dá)2綜合脈沖與孔徑雷達(dá)，現(xiàn)代雷達(dá)，1995,2:1-13;陸鵬程，徐海洲，徐晉，付啟眾，胡坤嬌，稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)，雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，6 ) ,2008:243-246;董健，李青俠等，綜合孔徑輻射計(jì)二維稀疏天線陣列排列方法，微波學(xué)報(bào)，25(2)，2009:83-86，Li Zhenfang，Bao Zheng，Wang Hongyang ,Liao Guisheng. Performance improvement for constellation SAR using signal processing techniques. IEEE Trans, 2006, AES—42(2):436—452.)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)存在的不足，提供一種由多元子陣作為陣元構(gòu)成的稀疏相控陣天線，它引入多元子陣來提供一種有限掃描能力(-30° +30° )并且高增益(與滿陣相近)的等距分布稀疏陣，其陣元間距取為廣1.6個(gè)波長，其方向圖可由經(jīng)典的陣因子理論綜合得到。具有設(shè)計(jì)簡單可靠，無需信號后處理等優(yōu)點(diǎn)為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
傳統(tǒng)的天線陣(滿陣)的指導(dǎo)思想是通過減小陣元之間的間距，使柵瓣的位置出現(xiàn)在實(shí)空間(-90° +90° )之外，以避免柵瓣引入所帶來的方向性下降，其代價(jià)是陣元多。根據(jù)方向圖乘積原理，天線陣的方向圖由單元方向圖和陣因子兩部分構(gòu)成。因此， 本發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)單元的方向圖，使單元直角坐標(biāo)方向圖成為矩形窗型，以此方向圖“調(diào)制”天線陣總方向圖。這樣，即使陣元間距大，以致陣因子的柵瓣出現(xiàn)在實(shí)空間(-90° +90° )，只要柵瓣位于單元方向圖的“矩形窗”之外，最后天線陣總方向圖會(huì)由于單元方向圖的調(diào)制作用而降低此柵瓣至足夠低(參見圖2)。實(shí)現(xiàn)以上方案關(guān)鍵點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)矩形的單元方向圖。對方向圖的指標(biāo)主要是矩形寬度、突降系數(shù)以及主瓣內(nèi)和主瓣外的電平比。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，矩形寬度主要決定天線陣的掃描能力。突降性能越好(越接近矩形)，則掃描時(shí)柵瓣和矩形邊沿的保護(hù)帶可以越窄，陣的稀疏率就越好。而單元主瓣窗內(nèi)外的電平比決定了陣列最后的主瓣柵瓣電平比。按照上述發(fā)明思路，本發(fā)明采用的稀疏陣技術(shù)方案有如下特點(diǎn)
1.現(xiàn)有的單元天線中，很難找到有同時(shí)符合上述三條要求的，尤其是陡峭的突降很難實(shí)現(xiàn)。為此，采用Z向(高度向)用對稱振子排一個(gè)子陣，利用矩形直角坐標(biāo)方向圖(即扇形極坐標(biāo)方向圖)綜合來實(shí)現(xiàn)。采用特定饋電網(wǎng)絡(luò)連接并將該多元子陣作為一個(gè)“單元”來使用，參見圖1中虛線框(1)所包圍的一個(gè)單元(為敘述清晰起見，以下簡稱(1)為子陣)；
2.子陣的矩形方向圖綜合可以通過線源的伍德抽樣得到，也可以采用優(yōu)化算法計(jì)算出來?？紤]到加工和設(shè)計(jì)的便利性，設(shè)計(jì)中固定了單元的激勵(lì)幅度和相位，只采用密度加權(quán)的方式實(shí)現(xiàn)(參見圖3a，圖如)；
3.采用大反射板以實(shí)現(xiàn)良好的前后比特性，由于鏡像的作用，此反射板等效于將子陣的長度加大了一倍(參見圖北)；
4.由于矩形方向圖是由Z向排小陣實(shí)現(xiàn)的，為求陣元配相和幅度的穩(wěn)定性，對子陣采用并聯(lián)饋電，以使其方向圖帶寬寬些(圖6a)；
5.總方向圖的主瓣柵瓣電平比靠子陣方向圖的“矩形窗”內(nèi)外電平差控制，而主瓣副瓣的電平比則可由Y向陣列的幅度加權(quán)獲得；
6.在相控陣系統(tǒng)中，往往收發(fā)共用同一幅天線，因此可采用自適應(yīng)陣列的原理，將接收方向圖的”柵瓣”與發(fā)射方向圖的”柵瓣”錯(cuò)開，以進(jìn)一步抑制從柵瓣處進(jìn)入接收機(jī)的噪聲。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思和技術(shù)方案特點(diǎn)，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
1.一種由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線，自上而下分別由作為“單元”的四元子陣、 功分網(wǎng)絡(luò)和反射板組成；
2.天線陣掃描能力士15° -士35°，陣元(單元小陣)間距1-1. 6個(gè)波長依掃描能力有所不同。較常規(guī)天線陣?yán)碚摰呐挪挤绞?，稀疏率約為0. 25-0. 6 ；
3.所述四元子陣的天線(偶極子，雙臂分別位于介質(zhì)板的不同側(cè))與饋網(wǎng)(平行雙線，兩根線位于介質(zhì)板的不同側(cè))分別印刷在介質(zhì)板的正反兩面，并垂直于反射板安裝；4.單元小陣采用Z向密度加權(quán)綜合法實(shí)現(xiàn)扇形方向圖，偶極子的間距Dl約為0.2-0. 6 個(gè)波長，間距D2與Dl相同，間距D3為0. 3-0. 8個(gè)波長，偶極子與反射板之間間距D4約為 0. 5-1. 5個(gè)波長；
5.所述的四個(gè)偶極子逐個(gè)反相，設(shè)計(jì)中通過將臨近的偶極子反接實(shí)現(xiàn)倒相；
6 .所述介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)( 為2飛，其介質(zhì)損耗角正切)小于或等于0. 002，厚度0. 5-2_。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下顯而易見的實(shí)質(zhì)性優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明以多元子陣為陣元來構(gòu)成稀疏天線陣。由于多元子陣能形成矩形窗型直角坐標(biāo)方向圖，大大抑制了位于“矩形窗”之外的柵瓣電平，陣元間距可取為廣1.6個(gè)波長，從而使相控陣具有限掃描能力而陣元數(shù)大為減少，大大降低了系統(tǒng)成本。同時(shí)，由對比可以發(fā)現(xiàn) (參見圖8、圖11、圖12)，采用相同單元的滿陣與稀疏陣相較，區(qū)別僅在于遠(yuǎn)離主瓣區(qū)的旁瓣電平，由于增益(方向性)僅與輻射能量分布有關(guān)，這一部分旁瓣電平很低，對方向圖積分貢獻(xiàn)很小，因此天線陣增益也大致相同(圖12中仿真滿陣與稀疏陣增益相差小于0. 5dB)。 并且陣元等間距，簡化了設(shè)計(jì)與饋電結(jié)構(gòu)。本發(fā)明設(shè)計(jì)簡單可靠，又具有無需信號后處理等優(yōu)點(diǎn)。


圖1本天線陣的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2本天線陣的原理示意圖。圖3子陣的示意圖。圖4計(jì)算的稀疏陣非掃描邊射方向圖。圖5計(jì)算的稀疏陣掃描角25度時(shí)的方向圖。圖6并聯(lián)饋電的子陣結(jié)構(gòu)圖及其仿真的方向圖-頻率特性。圖7級聯(lián)饋電的子陣結(jié)構(gòu)圖及其仿真的方向圖-頻率特性。圖8陣元間距為1個(gè)波長的8元陣結(jié)構(gòu)圖。圖9仿真的圖8天線陣非掃描方向圖。圖10仿真的圖8天線陣掃描角25度時(shí)的方向圖。圖11按經(jīng)典陣因子理論得出的12元滿陣結(jié)構(gòu)圖。圖12滿陣與本文提出稀疏陣的方向圖對比。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的兩個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下 實(shí)施例一
參看圖1、圖6和圖8，由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線具體結(jié)構(gòu)如下 a) 用8個(gè)四元子陣(1)構(gòu)成直線陣，陣元間距為一個(gè)波長。四元子陣(1)由4個(gè)貼片振子(3)構(gòu)成，印刷振子(3)的雙臂分別位于介質(zhì)板(10)的正反兩面；饋線網(wǎng)絡(luò)(4)為平行雙線，兩根線也分別位于介質(zhì)板(10)的不同側(cè)，并垂直于反射板(7)安裝。天線陣工作于 5GHz，選擇該頻率主要是出于成本與設(shè)計(jì)的簡便性考慮更高的頻率會(huì)對板材、加工精度提出更高的要求，而更低的頻率時(shí)陣面尺寸大，也同樣會(huì)提高成本；b)四元子陣(1)的4個(gè)貼片振子(3)沿Z向(垂直于反射板)排陣，利用并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò) (4)連接各印刷振子(3)。為簡便起見，各印刷振子(3)等幅饋電、逐個(gè)反相，而通過密度加權(quán)實(shí)現(xiàn)矩形方向圖(矩形寬度士25度，方向圖參見圖如)，并采用密度階梯量化的方式，以實(shí)現(xiàn)較寬的單元方向圖帶寬；
c)用3dB威爾金森功分器組成一并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)(6)來連接各四元子陣(1)，天線輸入端的SMA連接器(8)穿過反射板(7)與饋電網(wǎng)絡(luò)(6)相接(參見圖6)；
d)利用反射板(7)來改善天線陣的前后比，并等效于有效地加大子陣的長度；
e)樣陣僅用于驗(yàn)證這種稀疏排布的思路，出于成本與設(shè)計(jì)的簡便性考慮，其掃描狀態(tài)利用對各陣元不同的適當(dāng)長度傳輸線代替圖1中的移相器(5)來實(shí)現(xiàn)，以降低成本和實(shí)施難度。實(shí)施例二
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，不同之處僅在于對四元子陣(1)采用了級聯(lián)饋電的方式，而通過折疊饋線來實(shí)現(xiàn)其配相要求，使Z向?yàn)樽畲蠓较?圖8a)。仍利用密度加權(quán)來實(shí)現(xiàn)矩形方向圖。該方案優(yōu)點(diǎn)是布線更緊湊，饋線損耗較低。缺點(diǎn)是各振子的饋電幅度和相位都因饋線效應(yīng)而隨頻率而變，導(dǎo)致魯棒性不好。圖7b和圖8b是實(shí)施例一和實(shí)施例二兩種不同的激勵(lì)方式的方向圖帶寬比較?？梢?，并聯(lián)饋電的方向圖在4%的帶寬內(nèi)方向圖的一致性要遠(yuǎn)好于級聯(lián)饋電的方式。該稀疏樣陣參數(shù)如下
1.天線陣掃描能力士15° 士 35°，陣元即四元子陣間距廣1.6個(gè)波長，依掃描能力有所不同。較常規(guī)天線陣?yán)碚摰呐挪挤绞剑骊囅∈杪始s為0. 25、. 6 ；
2.四元子陣(1)中各振子(3)沿Z向間距由密度加權(quán)實(shí)現(xiàn)矩形方向圖的綜合法得出， 振子(13)(圖3，下同)和振子(14)的間距dl約為0.2、. 6個(gè)波長，振子(11)與振子(12) 間距d2與dl相同。振子(14)與振子(11)的間距為0.3、. 8個(gè)波長。振子(12)與反射板 (7)間的間距d4約為0. 5 1. 5個(gè)波長；
3.振子(13、14、11和12)逐個(gè)反相，通過將相鄰振子反接來實(shí)現(xiàn)反相；
4.介質(zhì)板(10)的相對介電常數(shù)Γ力2 5，其介質(zhì)損耗角正切不大于0.002，厚度 0. 5 2mm。圖8-圖10給出了利用商用軟件HFSS得出的稀疏陣仿真性能，其方向圖與理論預(yù)計(jì)吻合較好，實(shí)現(xiàn)了士23. 5°的掃描能力(要求不出現(xiàn)高于-IOdB的柵瓣和副瓣)。該掃描能力比設(shè)計(jì)掃描能力士 25°減小了約士 1.5°，這是由于陣面較小(8元陣)導(dǎo)致的，隨著陣面元數(shù)的增加將趨向理論設(shè)計(jì)值。
權(quán)利要求
1.一種由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線，自上而下，分別由四個(gè)偶極子(9)構(gòu)成的四元子陣(1)— “單元”、功分網(wǎng)絡(luò)(6)和反射板(7)組成，其特征在于由8個(gè)所述四元子陣(1)構(gòu)成8元線陣，工作于5GHz，陣元間距D (2)為一個(gè)波長；所述“單元”的印刷振子(3)為偶極子，雙臂分別位于介質(zhì)板(10)的不同側(cè)；饋網(wǎng)(4、 6)為平行雙線，兩根線位于介質(zhì)板(10)的不同側(cè)；所述“單元”天線(3)與饋網(wǎng)(4，6)分別印刷在介質(zhì)板的正反兩面，并垂直于反射板(7)安裝；所述四元子陣(1)采用4元偶極子(9)——鏡像后8元陣，在Z向排陣實(shí)現(xiàn)，采用等幅饋電、密度加權(quán)的方式實(shí)現(xiàn)窗型，即扇形的方向圖，窗口寬度士25度；所述四元子陣(1)采用固定饋網(wǎng)(4)連接，采用并聯(lián)/級聯(lián)饋電以及密度階梯量化的方式，實(shí)現(xiàn)較寬的方向圖帶寬；采用反射板(7)改善天線陣的前后比，并利用反射板的鏡像原理有效減小四元子陣 (1)在Z向的高度；所述四元子陣(1)的固定饋網(wǎng)(4)通過移相器(5)與功分網(wǎng)絡(luò)(6)連接，功分網(wǎng)絡(luò)(6) 與SMA連接器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線，其特征在于為了降低成本和實(shí)施難度，用設(shè)定長度的傳輸線代替圖1中的移相器(5)，并用3dB威爾金森功分器并聯(lián)饋電(6);SMA連接器(8)穿過反射板(7)與功分網(wǎng)絡(luò)(6)相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線，其特征在于天線陣掃描能力士 15° -士35°，陣元，即四元子陣(1)，間距1-1. 6個(gè)波長，陣元排布的稀疏率為 0. 25-0. 6。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線，其特征在于四元子陣 (1)采用ζ向密度加權(quán)綜合法實(shí)現(xiàn)扇形方向圖，上兩個(gè)偶極子(13，14)的間距Dl為0. 2-0. 6 個(gè)波長，下兩個(gè)偶極子(11，12)間距D2與Dl相同；中間兩個(gè)偶極子(10，11)的間距為 0. 3-0. 8個(gè)波長；最下面的偶極子(12)與反射板(7)之間間距D4為0. 5-1. 5個(gè)波長。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線，其特征在于所述四個(gè)偶極子(13，14，11，12)逐個(gè)反相，通過將臨近的偶極子反接實(shí)現(xiàn)倒相。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由多元子陣構(gòu)成的稀疏相控陣天線，其特征在于所述介質(zhì)板(10)的相對介電常數(shù)(4)為2 5，其介質(zhì)損耗角正切(培5)小于或等于0. 002，厚度為 0. 5-2mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由多元子陣作為單元構(gòu)成的稀疏相控陣天線，多元子陣自上而下由四個(gè)偶極子、功分網(wǎng)絡(luò)和反射板組成。稀疏陣掃描能力約為-30°~+30°，面陣稀布率低于0.5且增益與滿陣大致相當(dāng)。該技術(shù)可用于相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)并極大地降低系統(tǒng)成本。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于采用單元方向圖(窗型/扇形單元方向圖)對陣因子進(jìn)行調(diào)制來抑制柵瓣，從而允許柵瓣進(jìn)入實(shí)空間(-90°~+90°)，以達(dá)到增加單元間距，即稀疏的目的。
文檔編號H01Q21/00GK102280714SQ20111012062
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者孫竹, 孟春香, 鐘順時(shí) 申請人:上海大學(xué)