專利名稱：一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線增益方向圖合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線增益方向圖合成方法，屬于無(wú)人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相控陣天線具有較多優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)功率效率高、可以獲得天線賦形、電掃描可快速跟蹤、隱身性能好等多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如果天線単元分布在機(jī)體的表面，與機(jī)體的輪廓重合則形成共形相控陣天線。共形相控陣天線具有比平面相控陣更多的優(yōu)點(diǎn)安裝體積小、不影響飛行器的氣動(dòng)性能、掃描范圍更大等。在無(wú)人機(jī)機(jī)頭前段安裝圓臺(tái)結(jié)構(gòu)的共形相控陣可以大大提高無(wú)人機(jī)的探測(cè)能力和隱身性能。由干天線為共形結(jié)構(gòu)，所有天線單元不在ー個(gè)平面內(nèi)，無(wú)法分離陣元和陣因 子、同時(shí)各個(gè)単元的極化方向不同，將導(dǎo)致嚴(yán)重的交叉極化分量。通常的平面陣天線増益方向圖合成方法不能適用于共形天線陣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，提出一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線增益方向圖合成方法。一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線增益方向圖合成方法，包括以下幾個(gè)步驟步驟ー建立無(wú)人機(jī)共形相控陣天線陣和天線單元的坐標(biāo)系；步驟ニ 獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線單元分布；步驟三獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線單元場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)；步驟四對(duì)共形相控陣天線陣總場(chǎng)進(jìn)行合成；步驟五獲取共形相控陣天線增益方向圖。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(I)本發(fā)明利用單個(gè)單元的方向圖來(lái)合成總的方向圖，計(jì)算速度快，并可以計(jì)算單元數(shù)量較多的共形相控陣；而傳統(tǒng)的采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算辦法，計(jì)算速度慢，而且通常計(jì)算的單元個(gè)數(shù)比較少；(2)本發(fā)明利用場(chǎng)矢量合成的辦法，不再分離出陣元和陣因子，可以計(jì)算任意共形結(jié)構(gòu)的相控陣；而傳統(tǒng)的陣元和陣因子的方法只能計(jì)算平面相控陣。


圖I是本發(fā)明的方法流程圖；圖2是本發(fā)明的共形相控陣天線示意圖；圖3是本發(fā)明的單元的位置等角度均勻分布示意圖；圖4是本發(fā)明的単元的位置部分等角度分布示意圖；圖5是本發(fā)明的単元的位置部分等間距分布示意圖中
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線增益方向圖合成方法，流程如圖I所示，包括以下幾個(gè)步驟步驟ー建立無(wú)人機(jī)共形相控陣天線陣和天線單元的坐標(biāo)系； 無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線采用圓臺(tái)共形相控陣天線，如圖2所示，以圓臺(tái)下底中心O點(diǎn)為原點(diǎn)，在下底面內(nèi)，垂直向外為X軸，垂直向上為Z軸，右手旋構(gòu)成全局坐標(biāo)系
oxyz ;上底半徑為r,下底半徑為R,高度為h,傾角^) = a tan(ノ )，圓臺(tái)的方程為x2+y2=(R- (Rで_Z )2 ; P點(diǎn)為圓臺(tái)上某一天線單元所在的點(diǎn)，以P點(diǎn)為原點(diǎn)，沿
著母線方向從底端向頂端建立z'軸,垂直圓臺(tái)方向?yàn)閄'軸,與圓臺(tái)相切構(gòu)成y'軸，構(gòu)成局部坐標(biāo)系Px' I' z'坐標(biāo)系，軸在下底面的投影與X軸所成的夾角；步驟ニ 獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線單元分布；単元的位置分布有三種形式，第一種，等角度均勻分布，天線單元分布在整個(gè)圓周上，沿著圓周方向360°角度范圍內(nèi)等圓心角均勻分布，沿著母線上等間距分布，如圖3所示；第二種，部分等角度分布，天線單元分布在部分圓周上，沿著圓周方向天線單元之間的圓心角相同，沿著母線上等間距分布，如圖4所示；第三種，部分等間距分布，天線單元分布在部分圓周上，沿著圓周方向天線單元之間的弧長(zhǎng)相等，沿著母線上等間距分布，如圖5所
/Jn o步驟三獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線單元場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)；將無(wú)人機(jī)共形相控陣天線的ー個(gè)單元的全空間場(chǎng)方向圖作為單元場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)，表示為旯其中m表示圓周上天線單元的序號(hào)，n表示母線上天線單元的序號(hào)，表示第(m，n)天線單元所在的局部坐標(biāo)系下的方位角，0 '表示第(m，n)天線單元所在局部坐標(biāo)系下的俯仰角，；^ ，％ )為第(m，n)天線單元在局部坐標(biāo)系下的單元場(chǎng)方向圖。利用商業(yè)電磁場(chǎng)仿真軟件獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線的獨(dú)立的一個(gè)天線単元的全空間場(chǎng)方向圖，單兀場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)包括方位角爐，俯仰角9，場(chǎng)方向圖的實(shí)部和虛部，其中cpe
，0 G
，角度間距小于1° ;由于單元場(chǎng)方向圖是ー個(gè)矢量，通常場(chǎng)方向圖包含X、y、z三個(gè)方向的場(chǎng)方向圖,或者爐和0方向的場(chǎng)方向圖。步驟四對(duì)共形相控陣天線陣總場(chǎng)進(jìn)行合成；利用場(chǎng)矢量合成法獲取相控陣天線的總場(chǎng)
m“-K Kiomn, Cpmn)](I)
w=0 w=0其中吵表示全局坐標(biāo)系下的方位角，e表示全局坐標(biāo)系下的俯仰角，云(民的為在全局坐標(biāo)系下的總場(chǎng)，M表示圓周上天線單元的個(gè)數(shù)，N表示母線上天線單元的個(gè)數(shù)，Anm為
第(m，n)個(gè)天線単元的激勵(lì)幅度 > 為第(m，n)個(gè)天線単元的激勵(lì)相位，ん=#為自由空間的波數(shù)，\為電磁波的波長(zhǎng)，P為天線單元所在的位置矢量彳為(61，的方向單位矢量，Z『為局部坐標(biāo)系Px'デz/坐到全局坐標(biāo)系oxyz下的變換矩陣。由于式(沒(méi)在步驟三中通過(guò)商業(yè)電磁場(chǎng)仿真軟件獲得，因此獲取共形結(jié)構(gòu)的方向圖需要得到的是4以及與全局坐標(biāo)系下的げ，的對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系下的(€,);假設(shè)
■為全局坐標(biāo)系oxyz到局部坐標(biāo)系Px'デZ'下的變換矩陣，則有Zf ' = Z^ = Z7Zz
cos (90 0 -SinO0 COsw0 Sin^0 0 =0 I 0 -sinw0 COsw0 0(2)
SinO0 0 cos (90 00 1
cos O0 cos % cos O0 sin g)0 - sin O0 = -Sinw0COsw00
sin O0 cos g)0 sin O0 sin cpQ cos O0假設(shè)⑷，的為全局坐標(biāo)系下的角度，(び，<)為⑷，的在對(duì)應(yīng)的某個(gè)單元在局部坐標(biāo)系
'xAlxw'
下的角度，凡為局部坐標(biāo)系下的場(chǎng)矢量，；V為全局坐標(biāo)系下的場(chǎng)矢量，則有以下關(guān)系
2L^^ZW ^
xL sin沒(méi)lCospl xw sin^cos￠9 . . ,v .
< yL >= sin6>'sin￠7' ,< yw >= sin6>sin￠7 ,, ^ > = z^ y\ 則局部坐標(biāo)系下的姿態(tài)角
.zJ L cos^'」W L cos^」Uj Uj(沒(méi)>')
可以表示為
—atan し。sinL:!:AU COS^⑶
0' = acos(sinO0 sin0cos(^0 ~(p) + cosO0 cos6)當(dāng)為圓柱結(jié)構(gòu)時(shí)，0 0 = 90°，則有
cp' = a tan(tan 6 sin(^0 - cp))
6' = acos(sin6cos(^0 - cp))(4)步驟五獲取共形相控陣天線增益方向圖；步驟四計(jì)算出的為共形相控陣天線的總場(chǎng)方向圖，其場(chǎng)數(shù)據(jù)的具體意義不明確，通常使用數(shù)據(jù)意義明確的增益方向圖。在已知共形相控陣天線周圍全空間上的攻6>,的時(shí)，則根據(jù)確定增益方向圖為
GiO,^ ==(5)
P&V
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線增益方向圖合成方法，其特征在于，包括以下幾個(gè)步驟 步驟ー建立無(wú)人機(jī)共形相控陣天線陣和天線單元的坐標(biāo)系； 無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線采用圓臺(tái)共形相控陣天線，以圓臺(tái)下底中心0點(diǎn)為原點(diǎn)，在下底面內(nèi)，垂直向外為X軸，垂直向上為z軸，右手旋構(gòu)成全局坐標(biāo)系oxyz ;上底半徑為r，下底半徑為R，高度為h，傾角％ = atan(-^-)，圓臺(tái)的方程為X2 +/=(穴-(八-:)々；P點(diǎn)為圓臺(tái)上某一天線單元所在的點(diǎn)，以P點(diǎn)為原點(diǎn)，沿著母線方向從底端向頂端建立z'軸，垂直圓臺(tái)方向?yàn)閄'軸，與圓臺(tái)相切構(gòu)成y'軸，構(gòu)成局部坐標(biāo)系Px'ずz'坐標(biāo)系,爐o為Pz/軸在下底面的投影與X軸所成的夾角； 步驟ニ 獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線單元分布； 単元位置分布為第一種，等角度均勻分布，天線單元分布在整個(gè)圓周上，沿著圓周方 向360°角度范圍內(nèi)等圓心角均勻分布，沿著母線上等間距分布；第二種，部分等角度分布，天線單元分布在部分圓周上，沿著圓周方向天線單元之間的圓心角相同，沿著母線上等間距分布；第三種，部分等間距分布，天線單元分布在部分圓周上，沿著圓周方向天線單元之間的弧長(zhǎng)相等，沿著母線上等間距分布； 步驟三獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線單元場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)； 將無(wú)人機(jī)共形相控陣天線的ー個(gè)單元的全空間場(chǎng)方向圖作為單元場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)，ふ為第(m，n)天線單元在局部坐標(biāo)系下的單元場(chǎng)方向圖，其中m表示圓周上天線単元的序號(hào)，n表示母線上天線單元的序號(hào)，'表示第(m，n)天線單元所在的局部坐標(biāo)系下的方位角，表示第(m，n)天線單元所在局部坐標(biāo)系下的俯仰角；獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線的獨(dú)立的一個(gè)天線単元的全空間場(chǎng)方向圖，単元場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)包括方位角爐，俯仰角e，場(chǎng)方向圖的實(shí)部和虛部，其中cp e
，0 G
，角度間距小于1° ; 步驟四對(duì)共形相控陣天線陣總場(chǎng)進(jìn)行合成； 利用場(chǎng)矢量合成法獲取相控陣天線的總場(chǎng)Eie,的=U瓦(《 , %J](I) n=0 w=0 其中ザ表示全局坐標(biāo)系下的方位角，0表示全局坐標(biāo)系下的俯仰角，的為在全局坐標(biāo)系下的總場(chǎng)，M表示圓周上天線單元的個(gè)數(shù)，N表示母線上天線單元的個(gè)數(shù)，Anm為第(m，n)個(gè)天線単元的激勵(lì)幅度，0為第(m，n)個(gè)天線単元的激勵(lì)相位，ん=為自由空間的波T mn/i數(shù)，A為電磁波的波長(zhǎng)，P為天線単元所在的位置矢量，丨.為⑷，的方向単位矢量，為局部坐標(biāo)系Px'デz/坐到全局坐標(biāo)系oxyz下的變換矩陣； 因?yàn)樵诓襟E三中獲得，因此獲取共形結(jié)構(gòu)的方向圖需要得到Zf以及與全局坐標(biāo)系下的汾#)對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系下的(元;假設(shè)Z1^為全局坐標(biāo)系oxyz到局部坐標(biāo)系Px'デz'下的變換矩陣，則有 rVW I _ ryL _ 7 7 しL ——ムア厶Z
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線增益方向圖合成方法，其特征在于，所述的片通過(guò)商業(yè)電磁場(chǎng)仿真軟件獲取。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的共形相控陣天線增益方向圖合成方法，包括以下幾個(gè)步驟步驟一建立無(wú)人機(jī)共形相控陣天線陣和天線單元的坐標(biāo)系；步驟二獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線單元分布；步驟三獲取無(wú)人機(jī)共形相控陣天線單元場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)；步驟四對(duì)共形相控陣天線陣總場(chǎng)進(jìn)行合成；步驟五獲取共形相控陣天線增益方向圖。本發(fā)明利用單個(gè)單元的方向圖來(lái)合成總的方向圖，計(jì)算速度快，并可以計(jì)算單元數(shù)量較多的共形相控陣；而傳統(tǒng)的采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算辦法，計(jì)算速度慢，而且通常計(jì)算的單元個(gè)數(shù)比較少。
文檔編號(hào)H01Q25/02GK102655276SQ20121010929
公開(kāi)日2012年9月5日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者丁軻佳, 曾國(guó)奇, 李思吟, 熊小軍 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)