大阵元间距和低频四合一馈电的共口径天线及设计方法

本发明属于通信，更进一步涉及天线中的一种大阵元间距和低频四合一馈电的共口径天线及设计方法。本发明可用于设计低通道数的双频段或多频段的大阵元间距共口径天线阵面。

背景技术：

1、相控阵天线技术中，通常最重要的阵面特性是高增益和低成本。高增益可以提高阵面的监测距离，低成本则可以尽量节省资金。为了满足两者需求，大阵元间距和共口径技术是较为可行的方法。大阵元间距指拉大单元间距，以实现在同等单元数量时阵面口径更大，从而增益更大；在同等阵面口径时单元数更少，从而成本更少。共口径天线技术是指将多个频段不同的天线放置在同一个辐射口径面内，并通过合理设计使其能够独立工作，相互之间无干扰，节约了空间成本。采用层叠放置的阵面中，高频单元可以以比低频单元间距更小的样式布阵从而避免出现栅瓣，但当阵面结构不允许层叠时，高频单元与低频单元的间距一致，往往导致高频阵面出现大阵元间距，易于出现栅瓣。有时为了更进一步减少通道数目降低成本，低频单元还会采用四合一的输入方法。此时，容易在高频及低频均出现单元间距过长的情况，这时阵面上的周期性必然导致阵面方向图出现栅瓣，进而引起主波束能量降低。

2、成都天锐星通科技有限公司在其申请的专利文献“一种共口径阵列天线和卫星通讯终端”(申请202110085055.7，申请公布号cn 112421246 a)中公开了一种共口径阵列天线。该天线通过紧耦合实现四个高频单元与一个低频单元对应，减小了高频单元之间的间距；其次相邻两个紧耦合单元形成紧耦合单元组，通过每个紧耦合单元组的相位中心也呈随机分布，从而打破周期性。两者结合使得双频共口径阵列天线不出现栅瓣，实现了双频共口径阵列天线的设计。但是，该阵列仍然存在的不足之处有两点：其一是，该双频共口径阵列天线阵面单元数和通道数较多，其高频单元布阵间距为0.73个波长，低频单元布阵间距为0.5个波长，随着口面的扩大，所需的通道数目将大幅增长，需要较高的成本；其二是，该共口径阵列天线的阵面采用四个高频单元与一个低频单元对应，因此只适合可以实现层叠的微带天线阵列，当天线形式上发生改变而无法做到层叠设置时，无法保证高频单元工作时不会出现栅瓣。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种大阵元间距和低频四合一馈电的共口径天线及设计方法，用于解决双频共口径阵列天线阵面单元数和通道数大带来的成本高的问题，以及只适合微带天线阵列无法用于多频段的大阵元间距的共口径天线设计问题。

2、实现本发明目的的思路是：针对上述问题，本发明在设计天线阵面时采用了大间距阵元和低频单元四合一的方案，解决双频共口径阵列天线阵面单元数和通道数通道数量大带来的成本高的问题。本发明通过智能算法优化每个子阵级的非周期排布，结合高增益单元，降低在低频四合一馈电及高频两种情况下的远区能量，实现对大阵元间距共口径工作天线阵面的栅瓣抑制，解决只适合微带天线阵列无法用于多频段的大阵元间距的共口径天线设计问题。

3、本发明的共口径天线，包括多个子阵，每个子阵由4×4个天线单元共口径天线单元采用大阵元间距矩形栅格均匀分布排列而成；每个共口径单元包含一个高频高增益单元和一个低频高增益单元，其中低频单元采用四合一的馈电方式进行馈电。

4、本发明共口径天线的大阵元间距和低频四合一馈电的共口径天线设计方法的步骤包括如下：

5、步骤1，建立整阵模型：

6、按每两个相邻单元中心间距d>2r排成一个由4×4个天线单元组成的子阵，按每两个相邻子阵中心间距d>8r，建立一个由m×n个子阵组成的整阵模型，r为共口径单元的半径，m与n均为整数且不同时为0；

7、步骤2，确定优化变量：

8、令m×n个子阵每个子阵在x轴方向和y轴方向的偏移分别为dx和dy，其中dx为一个长度为m×n的向量，该向量的每个元素表示对应位置单元在x轴方向上的偏移；dy为一个长度为m×n的向量，该向量的每个元素表示对应位置单元在y轴方向上的偏移；将dx与dy相连组成一个向量d作为优化变量；

9、步骤3，对优化变量d进行优化：

10、步骤3.1，设置粒子群算法初始参数，种群规模np为每次迭代中粒子的个数，设为50，边界值为粒子改变时每个元素的最大值，设为dm，dm大于d-8r，最大飞翔速度vmax为每次迭代中粒子改变的最大值，设为dm/10；将粒子群算法中的个体学习因子c1、社会因子c2及惯性因子ω按一般规律分别选取为2、2及0.8；

11、步骤3.2，随机生成m×n×2个绝对值小于等于dm的值，作为d的初始值，重复该步骤np次得到d0，d1，…dnp-1；

12、步骤3.3，逐一将d0，d1，…dnp-1按步骤2所述的对应关系得到m×n个子阵每个子阵在x轴方向和y轴方向的偏移，并检查此时阵面是否在子阵之间存在交叠：若子阵之间无交叠，该阵面是一个可实现阵面，将该偏移对应的di作为一个初始粒子xi进入下一个步骤；若子阵之间存在交叠，则该阵面不可实现，重新生成新粒子并检查子阵间有无交叠，直至种群中达到np个粒子；

13、步骤3.4，按步骤2所述的转换关系获得每个粒子对应子阵偏移情况下的阵面，计算该阵面的副瓣msll1和msll2，按照适应度计算公式评估初始种群的每个粒子的适应度值，获得局部历史最优位置和全局最优位置，适应度函数如下：

14、value＝ω1msll1+ω2msll2

15、其中，msll1表示低频时阵元按四合一馈电方式计算阵面方向图时，阵面指向最大扫描角度时阵面除主瓣外波瓣的最大值，msll2表示高频时阵元按独立馈电方式计算阵面方向图时，阵面在指向最大扫描角度时阵面除主瓣外波瓣的最大值，ω1和ω2为权重，分别代表高低频副瓣对适应度的贡献度；

16、步骤3.5，根据局部历史最优位置和全局最优位置，从上一个种群更新每个粒子的速度和位置，其次按步骤2所述的转换关系得到每个新粒子对应的m×n个子阵每个子阵在x轴方向和y轴方向的偏移，判断子阵有无交叠：如果任意一个粒子对应阵面情况下子阵有交叠，则重新随机生成一个子阵不交叠的新粒子代替该旧粒子；如果子阵均无交叠，评估每个新粒子的函数适应度值并更新每个粒子的历史最优位置和群体的全局最优位置；

17、步骤3.6，重复步骤3.5，直至达到最大迭代次数或达到目标适应度值，对得到的最终种群中的所有粒子，优选适应度值最佳的粒子也就是全局最优位置的xibest作为最终优化结果；

18、优化完成后，按步骤2所述的转换关系获得xibest对应子阵偏移情况下的阵面，带入到最终阵面中，则阵面此时的扫描情况下栅瓣值取到了最优值。

19、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

20、第一，本发明通过采用大阵元间距和低频四合一馈电技术，克服了现有技术双频共口径阵列天线阵面单元数和通道数通道数量大带来的成本高的不足，使得本发明具有共口径天线同等口径下低通道数目的优点，降低了共口径天线阵面的成本。

21、第二，本发明通过智能算法优化子阵级的非周期排布，结合高增益单元降低在低频及高频两种情况下的远区能量，实现对大阵元间距共口径工作天线阵面的栅瓣抑制，克服了现有技术只适合微带天线阵列无法用于多频段的大阵元间距的天线不足，使得本发明具有阵面设计不受限于阵面形式，适用性强的优点。