基于角反射效应的阵列天线嵌入式集成设计方法与流程

[0001]
本发明涉及电磁兼容与天线技术，尤其涉及一种基于角反射效应的阵列天线嵌入式集成设计方法。


背景技术：

[0002]
随着相控阵天线技术日益成熟，成本大大降低，以及相控阵天线具有波束扫描快、波束赋形便捷、便于与安装平台共形集成等优点，而被广泛用作特种车辆、船舶等平台的通信、雷达、导航设备的发射与接收天线。
[0003]
相控阵阵列天线共形集成于安装平台涉及的技术主要有相控阵阵列天线设计技术与阵列天线共形集成安装孔径设计技术。对于相控阵阵列天线设计技术，首先根据阵列天线的增益，波束形状的要求，采用阵列天线综合方法，获得阵列天线阵元的排布形式，阵元的激励幅度与相位；再采用有限元、矩量法等数值仿真方法，建立相控阵阵列天线辐射模型，优化阵列天线阵元的排布尺寸，以及阵元激励幅度与相位，获得满足要求的阵列天线辐射特性。对于阵列天线共形集成安装孔径设计技术，在设计好相控阵阵列天线的基础上，通过对安装平台的集成安装天线孔径的形状与尺寸进行设计，使相控阵阵列天线共形集成安装于平台后，仍能保持相控阵阵列天线原辐射特性，或将辐射特性恶化控制在工程可接受范围内。
[0004]
本专利提出的基于角反射效应的阵列天线嵌入式共形集成设计方法，改变了阵列天线传统被动共形集成于安装平台的设计方式，将阵列天线共形集成问题转化为角反射器天线设计问题，从而实现阵列天线嵌入式共形集成于平台后，辐射特性不仅不会恶化，反而能得到改善。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于角反射效应的阵列天线嵌入式集成设计方法。
[0006]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于角反射效应的阵列天线嵌入式集成设计方法，包括以下步骤：
[0007]
1)采用有限元全波电磁算法仿真分析相控阵阵列天线e面和h面的辐射特性，获得辐射方向图；
[0008]
2)在相控阵阵列天线的下方设置用于控制阵阵列天线后向辐射的矩形金属底板；
[0009]
3)根据阵列天线的物理尺寸(包括阵列天线的长、宽和高)、辐射特性、阵列天线波束扫描角度范围、以及嵌入集成深度(阵列天线顶端与锥台式天线安装孔径面的距离)，设计锥台式天线安装孔径底部尺寸和锥台倾角大小；
[0010]
所述阵列天线的物理尺寸包括阵列天线的长、宽和高；
[0011]
所述阵列天线的嵌入集成深度为阵列天线顶端与锥台式天线安装孔径面的距离；
[0012]
4)进行阵列天线与锥台式嵌入集成安装孔径一体化辐射特性仿真，根据阵列天线
的辐射特性仿真结果调整优化锥台式天线安装孔径底部尺寸和锥台倾角。
[0013]
按上述方案，所述步骤3)中锥台式天线安装孔径的初始值根据步骤2)，以阵列天线下方矩形地板使阵列天线具有较好辐射特性的尺寸，作为锥台式天线安装孔径底部的初始尺寸；
[0014]
按上述方案，所述步骤3)中锥台倾角的初始值根据阵列天线的物理尺寸(包括阵列天线的长、宽和高)、阵列天线波束扫描角度范围、以及嵌入集成深度(阵列天线顶端与锥台式天线安装孔径面的距离)，以阵列天线最大扫描角的主波束不被锥台式天线安装孔径顶部遮挡为选择，推算锥台倾角初始值。
[0015]
本发明产生的有益效果是：
[0016]
1.将阵列天线被动共形集成设计问题，转化为角反射器阵列天线主动嵌入式集成设计问题；
[0017]
2.改善嵌入式集成设计后阵列天线辐射特性，阵列天线增益得到了一定的提高。
[0018]
3.阵列天线采用嵌入式集成设计，实现了阵列天线与安装平台的完美共形集成。
附图说明
[0019]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0020]
图1是本发明实施例的锥台式角反射器天线镜像分析示意图；
[0021]
图2是本发明实施例的带有矩形金属地板的阵列天线的俯视图和侧视图；
[0022]
图3是本发明实施例的带有矩形金属地板的阵列天线e面和h面辐射方向图；
[0023]
图4是本发明实施例的带有锥台式天线安装孔径的阵列天线的俯视图和侧视图；
[0024]
图5是本发明实施例的带有锥台式天线安装孔径的阵列天线e面和h面辐射方向图。
具体实施方式
[0025]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]
一种基于角反射效应的阵列天线嵌入式集成设计方法，包括以下步骤：
[0027]
1)采用有限元全波电磁算法仿真分析相控阵阵列天线e面和h面辐射方向图；
[0028]
有限元全波电磁算法因采用四面体网格，能够准确模拟复杂结构与多材质的计算对象，从而能够准确仿真分析阵列天线e面和h面辐射特性。
[0029]
2)根据阵列天线的物理尺寸(包括长、宽和高)、辐射特性、阵列天线波束扫描角度范围、以及嵌入集成深度，采用角反射器天线设计方法，设计锥台式天线安装孔径与锥台倾角初始大小。锥台式天线安装孔径类似于角反射器天线的反射板，因此可以将阵列天线锥台嵌入式共形集成设计，转化为锥台式角反射器阵列天线设计。锥台式角反射器天线示意图，如图1所示。
[0030]
对任意角度的角反射器天线的分析包含了圆柱函数的积分，其求解需借助计算机进行数值计算。下面给出几种特殊角度的角反射器天线增益计算公式：
[0031]
1.当角反射器夹角为90
°
时，角反射器天线增益g为：
[0032][0033][0034]
其中，r
11
为受激单元的自阻抗，r
1l
为受激单元的等效损耗阻抗，r
12
为单元1和单元2的互阻抗，r
14
为单元1和单元4的互阻抗，s
r
为从夹角顶点至各单元的电距离，s为从夹角顶点至各单元的距离，λ为计算频率对应的波长。
[0035]
2.当角反射器夹角为180
°
时，角反射器天线增益g为：
[0036][0037]
其中，r
11
为受激单元的自阻抗，r
1l
为受激单元的等效损耗阻抗，r
12
为单元1和单元2的互阻抗，s
r
为从夹角顶点至各单元的电距离。
[0038]
3)进行阵列天线与锥台式嵌入集成安装孔径一体化辐射特性仿真优化设计，优化锥台式天线安装孔径尺寸、锥台倾角、以及锥台深度，使阵列天线嵌入式共形集成于平台后，改善阵列天线的辐射特性或控制恶化程度。
[0039]
基于角反射效应，阵列天线采用锥台嵌入式集成设计的几何结构如图4所示，阵列天线嵌入式集成于锥台天线孔径内，当阵列天线安装天线罩后，天线罩外表面与集成安装面处于同一面，实现阵列天线与安装面完美共形。基于角反射效应，进行阵列天线嵌入式集成设计实施步骤如下：
[0040]
首先采用有限元全波电磁算法仿真分析阵列天线e面和h面辐射方向图。
[0041]
本实施例中，选择3*3的对称阵子阵列天线，在x轴方向阵元间距x1为0.75λ(λ为中心频率3ghz对应真空中的波长，长度为100mm)，在y轴方向阵元间距y1为0.5λ。为了控制阵列天线的后向辐射，在阵列天线下方0.25λ处，设置300mm
×
200mm的矩形金属地板，如图2所示。图3给出了阵列天线e面和h面辐射方向图,阵列天线的增益为16.6db,e面半功率波瓣宽度为22
°
，h面半功率波瓣宽度为34
°
。
[0042]
然后根据相关制约因素(阵列天线的物理尺寸辐射特性、阵列天线波束扫描角度范围、以及嵌入集成深度)，设计锥台式天线安装孔径与锥台倾角初始大小，锥台式天线安装孔径如图4所示。
[0043]
考虑到天线罩与阵列天线的间距一般在0.5λ～λ之间，为了实现阵列天线加装天线罩后，天线罩外表面与天线安装孔径完全共面，选择阵列天线的嵌入深度h1为λ。根据矩形金属地板尺寸设定锥台式天线安装孔径底部尺寸为300mm
×
200mm、阵列天线离锥台式天线安装孔径底面的间距为0.25λ、以及阵列天线在xz面和yz面的天线波束扫描范围均为
±
30
°
，为了减小锥台侧面对阵列天线扫描波束的影响，因此选择锥台的初始倾角β为95
°
。
[0044]
最后进行阵列天线与锥台嵌入式安装孔径一体化辐射特性仿真优化设计，优化锥台式天线安装孔径的倾角β。
[0045]
本实施例中，当倾角β为120
°
时，阵列天线嵌入式共形集成于平台后，阵列天线的辐射特性不仅没有恶化，反而能得到改善。图5给出了阵列天线e面和h面辐射方向图,阵列天线的增益为18.6db，e面半功率波瓣宽度为23
°
，h面半功率波瓣宽度为22
°
，相对带有矩形
地板的阵列天线增益增加了约2db，e面半功率波瓣宽度基本保持不变，h面半功率波瓣宽度变窄了约12
°
。阵列天线增益越大，越有助于设备探测更远的目标或增大通信距离。
[0046]
若倾角优化后，仍需获得更好的辐射特性，则调整锥台式天线安装孔径底部的尺寸，获得该倾角下最优辐射特性对应的锥台式天线安装孔径底部的尺寸，而后循环这个过程，直到辐射特性变化收敛。
[0047]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。