平面反射阵天线设计方法
【专利摘要】本发明提供一种平面反射阵天线设计方法，包括：建立圆极化方式的阵列单元模型，阵列单元模型的谐振频率满足设计要求并且主极化反射波与交叉极化反射波的相位相差180度；使用阵列单元模型建立初始平面反射阵天线模型；根据平面反射阵天线的入射激励波计算初始平面反射阵天线模型的方向图；通过交集算法对初始平面反射阵天线模型的方向图进行优化；根据初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图获取初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的激励补偿相位；根据初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的激励补偿相位调整初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的相位，得到平面反射阵天线设计结果。
【专利说明】平面反射阵天线设计方法
【技术领域】
[0001]本发明设计天线【技术领域】，尤其涉及一种平面反射阵天线设计方法。
【背景技术】
[0002]阵列天线是由多个天线单元按照一定的排列方式排列组成的，阵列中的所有天线单元的方向图共同组成阵列天线的方向图。
[0003]阵列天线分为有源阵列和无源阵列，通常意义上的有源阵列是指馈电网络带功放等非线性器件的阵列天线，而无源阵列是指馈电网络没有非线性器件的阵列，但无源阵列一般也有功分网络；但本发明下述有源阵列统指上述两种馈电形式的阵列天线，而无源阵列指反射阵这类阵面上没有馈电，激励来自空馈的馈电形式。
[0004]目前的阵列天线主要是有源阵列，即阵列中的每个单元都给予激励，通过功分网络、衰减器和移相器对每个单元激励的幅值相位加以调节实现特定的方向图。但有源阵列的成本高昂、衰减较大，且输入/输出组件需要占用较大的空间。并且，对有源阵列平方余割波束的设计主要是采用例如遗传算法(Genetic Algorithm, GA)、差分进化(Differential Evolution, DE)、粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PS0)等优化算法对单元激励的幅值和/或相位进行优化设计。而使用上述优化算法对有源阵列进行优化设计迭代次数很多，耗时较长，消耗系统资源。
[0005]而对于无源阵列，由于无法控制激励的幅度，而仅能对天线单元的相位进行综合，因此需要比有源阵列更多的天线单元才能精确控制阵列的方向图。采用现有的优化算法对无源阵列进行优化设计相较于有源阵列耗时更长，更加消耗系统资源，阵列优化设计效率较低。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种平面反射阵天线设计方法，用于提供一种高效率的阵列天线设计方法，节约系统资源。
[0007]本发明提供一种平面反射阵天线设计方法，包括:
[0008]建立阵列单元模型，所述阵列单元模型的极化方式为圆极化、谐振频率满足设计要求并且主极化反射波与交叉极化反射波的相位相差180度；
[0009]建立初始平面反射阵天线模型，所述初始平面反射阵天线模型中包括MXN个所述阵列单元模型，且Μ > 2、N > 2 ;
[0010]根据所述平面反射阵天线的入射激励波计算所述初始平面反射阵天线模型的方向图，所述初始平面反射阵天线模型的方向图中单元方向图为所述阵列单元模型的方向图；
[0011]通过交集算法对所述初始平面反射阵天线模型的方向图进行优化，以使所述初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图满足设计要求；
[0012]根据所述初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图获取所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的激励补偿相位；
[0013]根据所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的激励补偿相位调整所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的相位，得到平面反射阵天线设计结果。
[0014]本发明实施例提供的平面反射阵天线设计方法通过设计圆极化的反射单元，并使用交集算法对阵列方向图进行优化，将阵列天线的单元设计和阵列优化分割开来，使优化效率提高，节约了系统资源。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明提供的平面反射阵天线设计方法实施例一的流程图；
[0016]图2A为阵列单元模型的侧视图；
[0017]图2B为阵列单元模型的俯视图；
[0018]图3为图2A和图2B所示阵列单元模型反射系数及两极化之间的相位差示意图；
[0019]图4为入射激励波补偿原理图；
[0020]图5A为通过本发明实施例提供的平面反射阵天线设计方法得到的阵列天线方向图俯仰面优化结果；
[0021]图5B为通过本发明实施例提供的平面反射阵天线设计方法得到的阵列天线方向图方位面优化结果；
[0022]图6A为通过本发明实施例提供的平面反射阵天线设计方法得到的阵列天线方向图俯仰面仿真结果；
[0023]图6B为通过本发明实施例提供的平面反射阵天线设计方法得到的阵列天线方向图方位面仿真结果。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]为了解决现有无源阵列优化设计方法对大规模阵列天线优化时间过长的问题，本发明提供一种平面反射阵天线设计方法，通过设计圆极化的阵列单元、使用交集算法对阵列天线仅进行相位优化、对阵列天线中阵列单元的相位进行补偿的方法，将阵列天线中阵列单元的设计和整个阵列的优化分割开，从而提高了对阵列天线优化设计的速度，节约了系统资源，提高了优化设计的效率。
[0026]图1为本发明提供的平面反射阵天线设计方法实施例一的流程图，如图1所示，本实施例的方法包括:
[0027]步骤S101，建立阵列单元模型，所述阵列单元模型的极化方式为圆极化、谐振频率满足设计要求并且主极化反射波与交叉极化反射波的相位相差180度。
[0028]具体地，本实施例提供的平面反射阵天线设计方法将阵列单元的设计与整个阵列的优化分割开来，从而降低对阵列进行优化的算法复杂度，因此首先对阵列天线中的阵列单元进行设计。由于圆极化的天线单元在调整相位时仅需转动天线单元的角度，相对于传统的通过改变尺寸调整相位的天线单元，圆极化的天线单元改变相位不用改变天线单元的其他参数，阵列单元之间的互耦相对稳定。而本实施例对阵列天线方向图的优化基于方向图乘积定理，阵列方向图等于单元方向图与阵因子的乘积，因此在对阵列天线的设计中，采用圆极化的天线单元，通过调整各天线单元的相位对整个天线阵列进行优化时，阵列单元的方向图较为稳定，才能够仅对阵因子进行优化而完成阵列天线的设计。另外，由于平面反射阵天线剖面低、效率高，且只需要一个馈源且无需调节馈源激励，制造复杂度较低，因此本实施例中提供一种平面反射阵天线的设计方法，其中采用圆极化方式的天线单元，从而可以使用较少的系统资源设计出性能优异的阵列天线。
[0029]对于旋转型反射单元，其反射相位延迟来源于旋转角，根据已知的文献理论，不论入射波为何种极化形式，其相同极化的反射波的相位延迟为2倍单元旋转角(旋转单元的主极化反射波和入射波旋向同向，故称相同极化的反射波，且该经过反射后主极化的反射波会产生2倍于单元旋转角的滞后相位)，而相反极化的反射波没有这个规律。为了通过精确控制相位来进行波束赋形，必须尽可能地增大通入射波极化相同极化的反射波，也就是抑制相反极化的反射波。根据这个原则，考虑到正常照射到PEC(Perfect ElectricConduct, PEC)上的入射波经反射后方向相反，极化发生反转，就必须补偿掉π的相位，也就是说对于圆极化反射单元，其χ极化和y极化的反射波要相差η的相位。主极化和交叉极化的计算公式如公式(1)和公式(2)所示。
【权利要求】
1.一种平面反射阵天线设计方法，其特征在于，包括:建立阵列单元模型，所述阵列单元模型的极化方式为圆极化、谐振频率满足设计要求并且主极化反射波与交叉极化反射波的相位相差180度；建立初始平面反射阵天线模型，所述初始平面反射阵天线模型中包括MXN个所述阵列单元模型，且Μ > 2、N > 2 ;根据所述平面反射阵天线的入射激励波计算所述初始平面反射阵天线模型的方向图，所述初始平面反射阵天线模型的方向图中单元方向图为所述阵列单元模型的方向图；通过交集算法对所述初始平面反射阵天线模型的方向图进行优化，以使所述初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图满足设计要求；根据所述初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图获取所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的激励补偿相位；根据所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的激励补偿相位调整所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的相位，得到平面反射阵天线设计结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述平面反射阵天线的入射激励波计算所述初始平面反射阵天线模型的方向图，所述初始平面反射阵天线模型的方向图中单元方向图为所述阵列单元模型的方向图之前，还包括:将所述平面反射阵天线口面上的球面入射激励波转换为所述平面反射阵天线阵列平面上的线极化入射激励波。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述通过交集算法对所述初始平面反射阵天线模型的方向图进行优化，以使所述初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图满足设计要求，包括:通过交集算法仅对所述初始平面反射阵天线模型方向图的阵因子进行优化，以使所述初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图满足设计要求。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过交集算法仅对所述初始平面反射阵天线模型方向图的阵因子进行优化，以使所述初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图满足设计要求，包括:对所述初始平面反射阵天线模型的方向图乘以缩放因子并进行迭代优化，在迭代优化过程中逐渐增大所述缩放因子，直至所述缩放因子等于1，得到所述初始平面反射阵天线模型的优化后的方向图，所述缩放因子小于等于1。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的激励补偿相位调整所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的相位，得到平面反射阵天线设计结果，包括:将所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的激励补偿相位减去所述平面反射阵天线的入射激励波到达所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的相位后除以2，得到所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型的单元旋转角；将所述初始平面反射阵天线模型中每一阵列天线单元模型旋转所述单元旋转角，得到所述平面反射阵天线设计结果。
【文档编号】G06F17/50GK103646151SQ201310717827
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】余剑锋, 陈蕾, 刘淑芳, 陈阳, 钟显江, 史小卫 申请人:西安电子科技大学