专利名称：一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，属于无人机技术领域。
背景技术：
相控阵天线具有较多优点系统功率效率高、可以获得天线赋形、电扫描可快速跟踪、隐身性能好等多种技术优势。如果天线単元分布在机体的表面，与机体的轮廓重合则形成共形相控阵天线。共形相控阵天线具有比平面相控阵更多的优点安装体积小、不影响飞行器的气动性能、扫描范围更大等。在无人机机头前段安装圆台结构的共形相控阵可以大大提高无人机的探測能力和隐身性能。由干天线为共形结构，所有天线单元不在ー个平面内，无法分离阵元和阵因 子、同时各个単元的极化方向不同，将导致严重的交叉极化分量。通常的平面阵天线増益方向图合成方法不能适用于共形天线阵。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法。一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，包括以下几个步骤步骤ー建立无人机共形相控阵天线阵和天线单元的坐标系；步骤ニ 获取无人机共形相控阵天线单元分布；步骤三获取无人机共形相控阵天线单元场方向图数据；步骤四对共形相控阵天线阵总场进行合成；步骤五获取共形相控阵天线增益方向图。本发明的优点在于(I)本发明利用单个单元的方向图来合成总的方向图，计算速度快，并可以计算单元数量较多的共形相控阵；而传统的采用电磁场数值计算办法，计算速度慢，而且通常计算的单元个数比较少；(2)本发明利用场矢量合成的办法，不再分离出阵元和阵因子，可以计算任意共形结构的相控阵；而传统的阵元和阵因子的方法只能计算平面相控阵。
图I是本发明的方法流程图；图2是本发明的共形相控阵天线示意图；图3是本发明的单元的位置等角度均匀分布示意图；图4是本发明的単元的位置部分等角度分布示意图；图5是本发明的単元的位置部分等间距分布示意图中
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进ー步的详细说明。本发明是一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，流程如图I所示，包括以下几个步骤步骤ー建立无人机共形相控阵天线阵和天线单元的坐标系； 无人机的共形相控阵天线采用圆台共形相控阵天线，如图2所示，以圆台下底中心O点为原点，在下底面内，垂直向外为X轴，垂直向上为Z轴，右手旋构成全局坐标系
oxyz ;上底半径为r,下底半径为R,高度为h,倾角^) = a tan(ノ )，圆台的方程为x2+y2=(R- (Rで_Z )2 ; P点为圆台上某一天线单元所在的点，以P点为原点，沿
着母线方向从底端向顶端建立z'轴,垂直圆台方向为X'轴,与圆台相切构成y'轴，构成局部坐标系Px' I' z'坐标系，轴在下底面的投影与X轴所成的夹角；步骤ニ 获取无人机共形相控阵天线单元分布；単元的位置分布有三种形式，第一种，等角度均匀分布，天线单元分布在整个圆周上，沿着圆周方向360°角度范围内等圆心角均匀分布，沿着母线上等间距分布，如图3所示；第二种，部分等角度分布，天线单元分布在部分圆周上，沿着圆周方向天线单元之间的圆心角相同，沿着母线上等间距分布，如图4所示；第三种，部分等间距分布，天线单元分布在部分圆周上，沿着圆周方向天线单元之间的弧长相等，沿着母线上等间距分布，如图5所
/Jn o步骤三获取无人机共形相控阵天线单元场方向图数据；将无人机共形相控阵天线的ー个单元的全空间场方向图作为单元场方向图数据，表示为旯其中m表示圆周上天线单元的序号，n表示母线上天线单元的序号，表示第(m，n)天线单元所在的局部坐标系下的方位角，0 '表示第(m，n)天线单元所在局部坐标系下的俯仰角，；^ ，％ )为第(m，n)天线单元在局部坐标系下的单元场方向图。利用商业电磁场仿真软件获取无人机共形相控阵天线的独立的一个天线単元的全空间场方向图，单兀场方向图数据包括方位角炉，俯仰角9，场方向图的实部和虚部，其中cpe
，0 G
，角度间距小于1° ;由于单元场方向图是ー个矢量，通常场方向图包含X、y、z三个方向的场方向图,或者炉和0方向的场方向图。步骤四对共形相控阵天线阵总场进行合成；利用场矢量合成法获取相控阵天线的总场
m“-K Kiomn, Cpmn)](I)
w=0 w=0其中吵表示全局坐标系下的方位角，e表示全局坐标系下的俯仰角，云(民的为在全局坐标系下的总场，M表示圆周上天线单元的个数，N表示母线上天线单元的个数，Anm为
第(m，n)个天线単元的激励幅度 > 为第(m，n)个天线単元的激励相位，ん=#为自由空间的波数，\为电磁波的波长，P为天线单元所在的位置矢量彳为(61，的方向单位矢量，Z『为局部坐标系Px'デz/坐到全局坐标系oxyz下的变换矩阵。由于式(沒在步骤三中通过商业电磁场仿真软件获得，因此获取共形结构的方向图需要得到的是4以及与全局坐标系下的げ，的对应的局部坐标系下的(€,);假设
■为全局坐标系oxyz到局部坐标系Px'デZ'下的变换矩阵，则有Zf ' = Z^ = Z7Zz
cos (90 0 -SinO0 COsw0 Sin^0 0 =0 I 0 -sinw0 COsw0 0(2)
SinO0 0 cos (90 00 1
cos O0 cos % cos O0 sin g)0 - sin O0 = -Sinw0COsw00
sin O0 cos g)0 sin O0 sin cpQ cos O0假设⑷，的为全局坐标系下的角度，(び，<)为⑷，的在对应的某个单元在局部坐标系
'xAlxw'
下的角度，凡为局部坐标系下的场矢量，；V为全局坐标系下的场矢量，则有以下关系
2L^^ZW ^
xL sin沒lCospl xw sin^cos￠9 . . ,v .
< yL >= sin6>'sin￠7' ,< yw >= sin6>sin￠7 ,, ^ > = z^ y\ 则局部坐标系下的姿态角
.zJ L cos^'」W L cos^」Uj Uj(沒>')
可以表示为
—atan し。sinL:!:AU COS^⑶
0' = acos(sinO0 sin0cos(^0 ~(p) + cosO0 cos6)当为圆柱结构时，0 0 = 90°，则有
cp' = a tan(tan 6 sin(^0 - cp))
6' = acos(sin6cos(^0 - cp))(4)步骤五获取共形相控阵天线增益方向图；步骤四计算出的为共形相控阵天线的总场方向图，其场数据的具体意义不明确，通常使用数据意义明确的增益方向图。在已知共形相控阵天线周围全空间上的攻6>,的时，则根据确定增益方向图为
GiO,^ ==(5)
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权利要求
1.一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，其特征在于，包括以下几个步骤 步骤ー建立无人机共形相控阵天线阵和天线单元的坐标系； 无人机的共形相控阵天线采用圆台共形相控阵天线，以圆台下底中心0点为原点，在下底面内，垂直向外为X轴，垂直向上为z轴，右手旋构成全局坐标系oxyz ;上底半径为r，下底半径为R，高度为h，倾角％ = atan(-^-)，圆台的方程为X2 +/=(穴-(八-:)々；P点为圆台上某一天线单元所在的点，以P点为原点，沿着母线方向从底端向顶端建立z'轴，垂直圆台方向为X'轴，与圆台相切构成y'轴，构成局部坐标系Px'ずz'坐标系,炉o为Pz/轴在下底面的投影与X轴所成的夹角； 步骤ニ 获取无人机共形相控阵天线单元分布； 単元位置分布为第一种，等角度均匀分布，天线单元分布在整个圆周上，沿着圆周方 向360°角度范围内等圆心角均匀分布，沿着母线上等间距分布；第二种，部分等角度分布，天线单元分布在部分圆周上，沿着圆周方向天线单元之间的圆心角相同，沿着母线上等间距分布；第三种，部分等间距分布，天线单元分布在部分圆周上，沿着圆周方向天线单元之间的弧长相等，沿着母线上等间距分布； 步骤三获取无人机共形相控阵天线单元场方向图数据； 将无人机共形相控阵天线的ー个单元的全空间场方向图作为单元场方向图数据，ふ为第(m，n)天线单元在局部坐标系下的单元场方向图，其中m表示圆周上天线単元的序号，n表示母线上天线单元的序号，'表示第(m，n)天线单元所在的局部坐标系下的方位角，表示第(m，n)天线单元所在局部坐标系下的俯仰角；获取无人机共形相控阵天线的独立的一个天线単元的全空间场方向图，単元场方向图数据包括方位角炉，俯仰角e，场方向图的实部和虚部，其中cp e
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，角度间距小于1° ; 步骤四对共形相控阵天线阵总场进行合成； 利用场矢量合成法获取相控阵天线的总场Eie,的=U瓦(《 , %J](I) n=0 w=0 其中ザ表示全局坐标系下的方位角，0表示全局坐标系下的俯仰角，的为在全局坐标系下的总场，M表示圆周上天线单元的个数，N表示母线上天线单元的个数，Anm为第(m，n)个天线単元的激励幅度，0为第(m，n)个天线単元的激励相位，ん=为自由空间的波T mn/i数，A为电磁波的波长，P为天线単元所在的位置矢量，丨.为⑷，的方向単位矢量，为局部坐标系Px'デz/坐到全局坐标系oxyz下的变换矩阵； 因为在步骤三中获得，因此获取共形结构的方向图需要得到Zf以及与全局坐标系下的汾#)对应的局部坐标系下的(元;假设Z1^为全局坐标系oxyz到局部坐标系Px'デz'下的变换矩阵，则有 rVW I _ ryL _ 7 7 しL ——ムア厶Z
2.根据权利要求I所述的ー种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，其特征在于，所述的片通过商业电磁场仿真软件获取。
全文摘要
本发明公开了一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法，包括以下几个步骤步骤一建立无人机共形相控阵天线阵和天线单元的坐标系；步骤二获取无人机共形相控阵天线单元分布；步骤三获取无人机共形相控阵天线单元场方向图数据；步骤四对共形相控阵天线阵总场进行合成；步骤五获取共形相控阵天线增益方向图。本发明利用单个单元的方向图来合成总的方向图，计算速度快，并可以计算单元数量较多的共形相控阵；而传统的采用电磁场数值计算办法，计算速度慢，而且通常计算的单元个数比较少。
文档编号H01Q25/02GK102655276SQ20121010929
公开日2012年9月5日 申请日期2012年4月13日 优先权日2012年4月13日
发明者丁轲佳, 曾国奇, 李思吟, 熊小军 申请人:北京航空航天大学