[发明专利]一种用于低成本相控阵的非邻接不规则子阵架构

说明书

本发明公开了一种基于非邻接的不规则拼接子阵架构，可以用于低成本的相控阵中。子阵内的单元可以采用非邻接布阵的形式，但同一子阵内的天线单元依旧仅用一套收发组件进行激励。相比于传统的邻接布阵形式，非邻接布阵形式的自由度更高，可实现更高的扫描增益，尤其是在大角度扫描时。在优化过程中，通过将优化模型进行拆分，划分为主子问题进行交替迭代求解，可以解决大规模阵列下的优化问题。本发明最大的创新性在于，在收发组件数量不变的情况下，充分挖掘天线阵列中的自由度，可以使不规则子阵的扫描增益进一步提升。

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及到不规则子阵排列的优化方法，提出了一种用于低成本相控阵的非邻接不规则子阵架构，在大量减少收发组件的情况下，实现相控阵高增益宽扫描角特性。

背景技术

目前相控阵天线在通信和雷达等领域都有广泛的应用，但是昂贵的收发组件极大的限制了大规模阵列和毫米波阵列的发展。稀疏阵列天线，通过对天线单元的稀疏排布，降低栅瓣实现方向图扫描，但稀疏阵存在加工，单元间耦合等诸多问题，不适用于工程实现。近年来发展的不规则子阵技术通过将规则排布的天线阵列进行不规则的子阵划分，同一子阵内的单元通过功分器进行连接并采用一组收发组件进行馈电，这样同样实现了大幅减少收发组件的目的。同时由于不规则子阵依旧为规则排布的阵列，更易于工程实现。而且由于不规则子阵是全激励阵列，相比于稀疏阵，不规则子阵在侧射方向能够实现更高的增益，但是随着扫描角度增加时，不规则子阵的增益优势大幅下降，以四联网格的不规则子阵为例，在侧射时与传统相控阵相比基本没有增益损失，但当扫描到30°时，增益损失达到4.7dB，而扫描到60°时，与传统相控阵相比增益损失接近6dB。CN111209670A通过最大化目标角度的辐射场来提高不规则子阵的增益水平，在扫描到30°时增益提升约1.5dB，但与传统相控阵相比增益损失依旧较大。这种增益损失的产生主要是由于收发组件的减少降低了天线的自由度，因此在不改变收发组件数量的情况下，为了提高阵列天线的自由度，可以考虑非邻接的不规则子阵结构。

发明内容

鉴于上述技术背景，本发明提出了一种用于低成本相控阵的非邻接不规则子阵架构，目的在于相比于已经存在的不规则相控阵架构，本发明的可以在不增加收发组件数量的前提下在大角度扫描时实现更高的增益

本发明具有以下内容：

图1为传统的不规则子阵架构，子阵内的天线单元全部为邻接单元，子阵内的所有单元通过一个功分器与一个收发组件相连，这样的优点是馈电网络的设计比较容易，但是由于收发组件的减少产生了相对波程差，最终导致大角度扫描时出现了比较大的增益损失。为了克服这一问题，本专利提出了非邻接的不规则子阵架构(如图2所示)，子阵内的天线单元可以是非相邻的单元，同时子阵内所有单元仅与一个收发组件相连，这一架构的缺点是在设计馈电网络时可能需要多层PCB板加工，而优势是可以极大的提高阵列天线的自由度，最终实现高增益的扫描波束。

相比于传统的不规则子阵架构，本专利的非邻接不规则子阵架构自由度更高，同时需要优化的未知量数目也更多，为了解决大规模阵列的优化问题，本专利提出了一种基于bender分解的混合整数二阶锥规划方法。

针对一个M×N的规则排布的天线阵列，对阵列进行非邻接不规则子阵划分，以实现在各个方向上的扫描增益最大，通常情况下，我们只需要优化E面和H面最大扫描角的增益值，这就需要联合优化阵列排布和扫描到不同角度的激励幅度相位，对于非邻接的不规则子阵的优化模型如下

s.t.C₁Y₁＝1,C₁′Y₁＝0 (2)