[发明专利]相控阵天线阵面综合实现方法

说明书

技术领域

本发明属于微波天线技术领域，涉及一种相控阵天线阵面综合实现方法。

背景技术

相控阵天线具有波束扫描快捷、波束形状可变、无活动部件、对卫星姿态无影响、抗干扰能力强等特点。由于相控阵天线本身的特点，给其应用带来诸多限制，例如扫描角度较小、副瓣较高、互耦效应大等问题。

相控阵天线的辐射单元端口的反射系数S₁₁定义为S₁₁＝b/a，其中，a是端口输入功率，b是反射回端口的功率，但是在多端口阵列中，端口的反射系数不仅仅是受本端口输出输入功率比的制约，还需要考虑到其他端口的输出的功率到达该端口的功率。如图1所示，给出了阵列天线信号激励与反射的示意图。

由于相控阵天线的辐射单元性能受到周围天线的影响，从而使其端口反射系数和辐射方向图都发生改变。辐射单元的阻抗会随波束扫描角θ而变化，天线与自由空间不匹配会在某些扫描角产生大的功率反射，导致方向图性能恶化。这种变化是主要由于各辐射单元的能量耦合引起的，当单元间距小到一定程度，如一个波长以内，其大小不可忽视。

近年来随着相控阵天线技术的不断发展，相控阵天线技术开始应用于宇航领域中，主要用于建立测距与通信链路。为保证相控阵天线对来自非目标区域的干扰信号具有抑制能力，必须有效地降低天线的副瓣电平。

在现有技术中，目前常用的低副瓣优化综合方法，比较有代表性的是Schelkunoff单位圆法和Dolph-Chebyshev法等，然而，这些方法存在以下缺点：

1)只对阵列因子进行优化综合，不考虑单元互耦影响。对于一个有限口径的阵列，阵元之间的互耦影响使得每个阵元的方向图与其所处的位置有关，如不考虑互耦影响，则优化得到的结果与实际的天线方向图存在差异；

2)在进行一维线性阵列天线方向图综合时可以获得较好的结果，对于结构复杂的二维阵列，由于影响阵列天线方向图特性的系统参数较多，大量优化变量已经超出了算法的承受能力，而且阵列方向图函数及其约束条件呈现多参数、非线性、不连续等特性，很难得到全局最优解；

3)通常的优化对象只包括阵元激励幅度，无法对阵元间距、阵列布局等参数进行优化。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种相控阵天线阵面综合实现方案，通过建立子阵级仿真模型，根据仿真模型判断互耦效应对单元有源驻波的影响并计算考虑互耦效应的辐射单元阵中方向图，通过建立二维阵列优化综合模型和基于非线性最小二法的数学模型，将阵元间距，阵列布局等对天线方向图产生影响的参数也纳入设计变量中，进而通过优化综合对此类参数进行优化。

本发明提供了一种相控阵天线阵面综合实现方法，包括以下步骤：步骤一，建立子阵级仿真模型，并考虑互耦效应计算作为子阵的待考核单元的辐射单元的阵中方向图；步骤二，将对天线方向图产生影响的参数作为设计变量，建立二维阵列优化综合模型和基于非线性最小二法的数学模型；以及步骤三，采用软件自带函数对数学模型进行求解，并通过优化综合对参数进行优化。

在本发明中，子阵级仿真模型为：将子阵的中心单元作为待考核单元，并在其周围按是奇阵列构型分布多圈单元，其中，各个单元之间的间距和布局与实际阵列结构一致。

步骤一包括：采用电磁仿真软件，构建子阵级仿真模型，以计算辐射单元的阵中方向图和反射系数；根据子阵级仿真模型，判断互耦效应对辐射单元的有源驻波的影响；以及考虑到子阵中的其他单元对辐射单元的互耦效应，获得辐射单元的阵中方向图。

具体地，在步骤一中执行：对子阵中的所有单元进行馈电，通过改变各个单元的激励相位，使子阵的方向图的波束指向在波束覆盖范围内的多个典型波位，从而计算每个波位下带考核单元的反射系数；将子阵中除了待考核单元外的其他单元置于不加激励的端口匹配状态并对待考核单元单独馈电；以及考虑到子阵中的其他单元对待考核单元的互耦效应，通过仿真计算得到待考核单元的阵中方向图，其中，反射系数随波束指向而变化，从而表示子阵中的其他单元对待考核单元产生的影响。

对天线方向图产生影响的参数至少包括：单元的激励幅度、单元间距、和单元栅格位置。步骤二包括：将对天线方向图产生影响的参数作为设计变量；根据要求指标，建立优化综合的目标方向图；在优化综合的目标方向图的方位面上，取多个切面参加优化计算并设计包含不同切面的优化综合目标函数；以及考虑到设计变量待满足的边界约束条件，建立基于非线性最小二法的数学模型。

另外，要求指标至少包括：要求的方向图波瓣宽度、副瓣电平。