[发明专利]一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成方法

权利要求书

1.一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立对应于曲面共形阵的全局坐标系以及对应于各天线单元的多个局部坐标系；

(2)获取各天线单元在全局坐标系中的位置分布、位置矢量和极化矢量；

(3)根据各天线单元在全局坐标系中的位置分布以及各天线单元的局部方向图计算得到各天线单元的矢量方向图；

(4)根据波束指向角和各天线单元的极化矢量计算得到各天线单元对应通道的极化补偿相位；

(5)对曲面共形圆极化相控阵天线进行总场合成，得到阵列方向图；

所述曲面共形阵为半径为R的球面共形阵，所述全局坐标系为以球顶为坐标原点O、令Z轴指向球顶正上方的O-XYZ坐标系；所述局部坐标系为以天线单元表面中心为坐标原点O′且Z′轴从球心沿径向指向球外的O′-X′Y′Z′坐标系，O′-X′Y′Z′坐标系的X′轴和Y′轴分别与球面矢量和重合，且O′-X′Y′Z′坐标系的X′轴和Y′轴还同时与合成天线单元圆极化的两个互相垂直的线极化方向重合；

所述球面共形阵由N条自上而下排布的环形阵列组成，第一个环形阵列与球顶的弧形间距为d，相邻的环形阵列之间的弧形间距依次为d₁、d₂、……、d_N-1；其中，自上而下的第n条环形阵列中等间距地排布有M_n个天线单元，并且自上而下各环形阵列中的1号天线单元的方位角依次为

所述各天线单元在全局坐标系中的位置分布是指各天线单元在全局坐标系下的直角坐标(X_nm,Y_nm,Z_nm)；

所述各天线单元在全局坐标系中的位置矢量是指各天线单元在全局坐标系下的球坐标

所述各天线单元在全局坐标系中的极化矢量是指各天线单元在全局坐标系下的极化方向矢量，并以合成天线单元圆极化的其中一个线极化矢量表示：

n表示天线单元所在的环形阵列的序号，m表示天线单元在第n条环形阵列中的序号；

所述步骤(3)的具体方式为：

(301)获得天线单元的局部方向图

其中，j为虚数单位，sinc表示辛格函数，和分别为天线单元局部坐标系的直角坐标基本矢量，为天线单元局部坐标系球坐标变量，f_nmx、f_nmy、f_nmz是天线单元局部方向图的直角坐标分量，n₁、n₂为控制参量，用于控制圆极化天线单元的E面和H面波束宽度；

(302)通过对局部方向图进行Euler旋转变换，得到全局坐标系下天线单元的矢量方向图

所述步骤(302)的具体方式为：

(3021)将矢量场全局球坐标表征转换为全局直角坐标表征，然后再将得到的矢量场全局直角坐标表征转换为局部直角坐标表征；

(3022)将矢量场局部直角坐标表征转换为局部球坐标表征，再将天线单元方向图在局部球坐标系下的极化分量转换为局部直角坐标系下的极化分量；

(3033)将天线单元在局部直角坐标系下的极化分量转换为全局直角坐标系下的极化分量，即可得到全局坐标系下天线单元的矢量方向图；

所述步骤(4)的具体方式为：

(401)根据球坐标和直角坐标变换公式，得到天线单元的极化矢量A、基准矢量B以及波束指向矢量C的直角坐标分别为：

其中，为波束指向角；

(402)从方程组

中求解出投影矢量D＝(x,y,z)；

(403)计算投影矢量D与基准矢量B的夹角θ_t；

(404)取基准矢量B与投影矢量D的叉乘E，根据E与波束指向矢量C的方向关系确定天线单元对应通道的极化补偿相位p_nm：

对于左旋圆极化，当E与C同向时，p_nm取θ_t，当E与C反向时，p_nm取360°-θ_t，

对于右旋圆极化，当E与C同向时，p_nm取360°-θ_t，当E与C反向时，p_nm取θ_t；

所述步骤(5)中的总场合成根据下式所示关系进行计算：

其中，w_nm为天线单元的加权值，是全局坐标系下天线单元的矢量方向图，p_nm是天线单元对应通道的极化补偿相位，j为虚数单位，exp表示以e为底的指数函数，k表示2π长度上出现的全波数目。