一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法

本发明属于共形阵列天线领域，具体提及一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法。

背景技术：

1、随着各种雷达设备在日常生活中应用越来越广泛，普通的线性阵列天线已经不能满足的需求，因此人们开始使用平面阵列雷达，但是平面雷达布局在物体上会占用很大的体积。所以共形阵列天线是一种很好的解决方案，圆锥面共形阵列天线是一种广泛应用于通信和雷达系统的天线技术。它由一组放置在圆锥面上的天线元件组成，可以独立地接收和发射无线电信号。圆锥面共形阵列天线具有高增益、宽带、多波束形成和干扰抑制能力等优点。它们在卫星通信、无线通信、航空航天和雷达系统等领域得到广泛应用。

2、在圆锥面共形阵列天线中，通过调节天线元件的几何排列和相位控制，可以精确地调整天线的辐射特性。通过操纵天线元件的相位和幅度，可以实现波束的指向和扫描，从而在特定方向获得高增益和增强的信号接收。这种灵活性使圆锥面共形阵列天线成为解决各种应用需求的理想选择。

技术实现思路

1、由于共形阵所布阵的表面多种多样，导致部分共形阵的布阵方式研究不够深入，可使用的圆锥面布阵方法非常少，所以本发明提出一种针对圆锥面的布阵方法，这种布阵方法不光适用于圆锥面，还适用于其他的共形阵布阵时参考使用。

2、此外，圆锥面共形阵列天线对多径传播和干扰源具有强大的抗干扰能力。通过利用自适应信号处理和波束成形技术，它们可以在复杂的无线环境中抑制信号并减轻干扰，从而提高系统的可靠性和性能。圆锥面共形阵列天线可以在广泛的领域中使用，可以适应于物体表面，例如导弹头可以很好地应用圆锥面共形阵列，并且圆锥面共形阵列天线的应用正在各个方面逐渐发展。

3、本发明是一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法，适用于表面是圆锥形的物体。

4、具体的技术方案为：

5、一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法，包括两个步骤：

6、步骤一、任意阵元的排列模式；通过阵列阵元的几何关系开始，以实现圆锥面阵列的建模；通过电磁波的传播特性，以实现阵列阵元接收的信号建模；

7、步骤二、阵列的布局形式；通过改变阵列阵元在z轴上的坐标来改变每个环层的半径，共形阵列天线的阵元被排列在圆锥面上。

8、具体的：

9、步骤一、任意阵元的排列模式

10、构建三维阵列阵元排列的模型非常重要。从阵列阵元的几何关系开始，以实现圆锥面阵列的建模。

11、使用的阵元被安装在一个物体的表面上，圆锥面从三维空间来构建阵元的空间模型。令任意阵元的位置为(xi,yi,zi)，对应的向量为：

12、

13、其中分别为x,y,z轴方向的单位矢量。

14、令目标方向的方位角和俯仰角为(φ,θ)，故该方向的单位向量为：

15、

16、要求第i个辐射源相对于远场点的相位参考点的相位贡献为：

17、

18、其中，λ为信号的波长。

19、在远场中，第i个阵元的相位贡献为：

20、

21、最终，在远场处叠加的总电场为：

22、

23、称为天线阵列因子，ii是第i个阵元的复电流。

24、步骤二、阵列的布局形式

25、使用的共形阵列天线的布局是通过改变阵列阵元在z轴上的坐标来改变每个环层的半径，因此这种方法被称为z轴递减法。共形阵列天线的阵元被排列在圆锥面上。

26、过大的阵元间隔会使方向图产生栅瓣。为了避免产生栅瓣，在布置最底层圆环时使用的阵元间隔d1＝0.61λ，然后规定了一种不会栅瓣的阵列间距范围：

27、0.6λ≤d≤0.68λ  (6)

28、其中dm为第m层圆环的阵元间隔。

29、根据每个环层阵列的周长和阵列间距，确定了下一层阵列的数量：

30、

31、nm为第m层圆环的阵元个数，rm为第m层圆环的半径。

32、如果令在此条件下，阵元的间距满足定义的无栅瓣生成的范围，则确定此层的阵元数量：

33、

34、如果间距超出了指定的范围，提出另一种算法。将指定范围的最小值作为该层的阵元间距，以获取该层的阵元数量：

35、

36、得到环形阵列天线每个层次的阵列间距和阵元数量，并将其写成一个矩阵：

37、[(n1,d1)(n2,d2)…(nn,dn)]  (10)

38、接下来，介绍本次设计的阵列的阵元位置。

39、z轴坐标是半径关于层数的均分值：

40、

41、

42、在上述方程中，m是当前层数，n是环形阵列的总层数，h是圆锥面高度，是圆锥角。由于设计的是一个圆锥面共形阵列，根据z和h、θ，得到以原点为参考点的任意层阵列的半径。

43、

44、根据每个阵元所在层数的半径和z轴信息求出球坐标中的信息：

45、

46、其中，θ为球坐标系中的俯仰角。

47、然后，在x-y轴上，根据阵元的数量，每个层的阵元均匀分布，因此得到所设计圆锥面共形阵列天线的阵元的球坐标系方位角信息。

48、

49、其中，φ是阵元的方位角。

50、得到了所设计共形阵列天线的所有阵元的位置信息。第n层圆环的球坐标系矩阵：

51、

52、在获得了所有阵元的位置信息后，假设使用的是全向天线，且假设ii＝1，使用(5)得到总电场，即阵列信号的方向图。

53、相比于传统的平面阵列方法，本发明适用于物体形状为圆锥型，并且对于空间利用率和主旁瓣比要求较高的物体。

技术特征：

1.一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法，其特征在于，包括两个步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法，其特征在于，步骤一具体包括以下过程：

3.根据权利要求2所述的一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法，其特征在于，步骤二具体包括以下过程：

技术总结
本发明提供一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法，包括两个步骤：步骤一、任意阵元的排列模式；通过阵列阵元的几何关系开始，以实现圆锥面阵列的建模；通过电磁波的传播特性，以实现阵列阵元接收的信号建模；步骤二、阵列的布局形式；通过改变阵列阵元在Z轴上的坐标来改变每个环层的半径，共形阵列天线的阵元被排列在圆锥面上。相比于传统的平面阵列方法，本发明适用于物体形状为圆锥型，并且对于空间利用率和主旁瓣比要求较高的物体。

技术研发人员：邓维波,陈思明,张鑫,刘爱华,吴小川
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/8