[发明专利]一种宽带双极化相控阵天线及全极化波束形成方法

权利要求书

1.一种宽带双极化相控阵天线全极化波束形成方法，其中宽带双极化相控阵天线设有两个以上天线单元，所述天线单元采用纯金属制成，设有由底板以及固定在底板周围的四个金属壁围合成的金属腔、位于金属腔内采用宽带渐变缝隙结构且两个极化端口正交放置的天线，所述天线的底部设有用于实现阻抗匹配功能的波导腔体，天线由呈十字型设置的四个金属脊组成，金属脊采用金属板制成，金属脊朝向外侧的边长大于朝向十字型中心的边长，且金属脊靠近十字型中心的边缘为外凸的弧形，四个金属脊在十字型中心处形成自下而上逐渐增大的辐射缝隙，天线采用同轴线底部馈电，极化端口一与极化端口二的同轴线分别引出金属腔底板；

所述波导腔体四周的金属壁上引入渐变结构，以进一步实现阻抗匹配，降低电压驻波比；

设有8组或16组天线单元；

宽带双极化相控阵天线全极化波束形成方法，其特征在于包括以下内容：

在坐标系中，第(m,n)个天线单元所在的位置为(x_m,y_n)，其中：

式中，M和N分别为x方向和y方向的天线单元的个数，dx和dy分别为x方向和y方向的相邻天线单元之间的间距；

该第(m,n)个单元的两个极化端口辐射的远区电场分量表示为：

式中，和分别为水平和垂直端口的有效长度，和分别为水平和垂直端口的归一化幅度方向图函数，和分别为水平和垂直端口的相位方向图函数，和分别为水平极化端口的幅度和相位极化参数，和分别为垂直极化端口的幅度和相位极化参数，为自由空间的波阻抗，为波数；若忽略单元之间的互耦，设两个极化端口是对称的，同时天线单元是一致的情况下，则有：

在理想情况下，两个电场分量和是正交的，可以形成两个正交的极化通道，发射正交的电磁波信号或者同时接收入射电磁波的两个正交极化分量，因此，可以实现双极化的相控阵天线阵列，在实际工作中，由于单元之间的互相耦合以及加工误差的影响，单元之间的方向图存在异性差异，极化特性也会发生一定范围内的细微变化，为此，在实际应用中，相控阵天线需要进行校准和补偿，本方法针对双极化的相控阵天线结构，研究了双极化的波束形成方法和极化合成方法，在波束形成中，本方法对两个极化端口分别进行相位补偿，将主波束辐射方向调整到预期的方向；假设预期要求在空间点处形成主波束，在该点处，两个正交极化单位矢量分别为和则有：

于是，方向的分量为x方向端口的主极化方向的分量，方向的分量为y方向端口的主极化方向的分量，它们分别表示为：

式中，p_x为x方向端口的主极化方向的分量；

式中，p_y为y方向端口的主极化方向的分量

在两个极化通道上合成的方向图分别为：

式中，θ_max和表示主波束的指向方向角度；γ_x和η_x分别为水平极化端口的幅度和相位极化参数，γ_y和η_y分别为垂直极化端口的幅度和相位极化参数；A_H和A_V分别为水平和垂直极化端口的幅度加权函数，它们可以控制辐射方向图的副瓣电平、主瓣宽度等指标；

设定要合成的辐射场的幅度和相位极化参数分别为γ和η，垂直通道的加权系数为于是有：

求解方程(13)，可求得加权系数β，进而实现预期的极化合成效果；令：

于是有：

以R_β、I_β、A和B为未知变量，方程可以表示为：

公式(19)可写为：[U]·[V]＝[W] (20)

式中，

因此，上述方程的解可写为：[V]＝[U]^-1·[W](24)。