大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法与流程

本发明涉及相控阵天线设计，尤其涉及一种大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法。

背景技术：

1、随着无线通信技术的快速发展，如何提升系统的通信能力、延长系统的通信距离成为人们关注的热点问题。相比于单天线形式，阵列天线作为一种由若干个相同的天线单元按照一定的规律进行排布组成的天线阵，具备高增益的优势，得到了广泛关注。

2、在相控阵天线的设计过程中，阵元间的互耦对相控阵的性能有着很大的影响。随着相控阵天线扫描角度的增加，单元间的互耦也会随之增加，这会导致天线的输入阻抗发生改变，从而引起阵列的失配，进而影响到天线的辐射特性和工作带宽。

3、为了满足应用侧的小型化、高度集成的设计需求，需要在尽可能拉近天线阵元间距的情况下减少阵元间的互耦，保障阵列的性能。因此，如何提供一种大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种具有大扫描角度、宽工作带宽、支持多波束的相控阵天线去耦设计方法。

2、为实现上述发明目的，本发明提供一种大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，包括以下步骤：

3、步骤s1、完成相控阵天线单元的设计及优化，并按照2×2的排列方式得到四单元阵列；

4、步骤s2、对所述四单元阵列进行电特性仿真；

5、步骤s3、对所述四单元阵列的阵元间距进行分析优化；

6、步骤s4、采用遗传算法、蚁群算法或粒子群算法对所述四单元阵列的隔离金属柱、隔离金属片、缺陷地结构的参数进行优化；

7、步骤s5、将优化后的所述四单元阵列进行大规模组阵；

8、步骤s6、对不同波束网络引入隔离结构，完成多波束集成。

9、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s1中，所述相控阵天线单元为微带天线、螺旋天线或偶极子天线；

10、所述相控阵天线单元的极化方式为线极化或者圆极化；

11、所述相控阵天线采用矩形栅格排布。

12、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s1中，若所述相控阵天线单元为线极化，则将单个所述相控阵天线单元通过平移和复制操作组成2×2规模阵列；

13、若所述相控阵天线单元为圆极化，则将单个所述相控阵天线单元通过旋转和复制操作组成2×2规模阵列。

14、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s2中，所述电特性仿真至少包括有源增益、轴比、工作带宽。

15、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s3中，对阵元间距进行优化时，最大阵元间距应根据其工作频率和最大扫描角度决定，表示为：d≤λ/(1+sinθ)，其中，d代表天线单元在排列方向上的单元间距，λ代表天线最高工作频率下的波长，θ代表天线在排列方向上的最大扫描角度。

16、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s4中，对所述四单元阵列的隔离金属柱进行优化时，在满足加工尺寸要求的情况下，优化对象至少包括隔离金属柱的间距、隔离金属柱的直径、隔离金属柱的数量。

17、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s4中，对所述四单元阵列的缺陷地结构进行优化时，在满足加工尺寸要求的情况下，优化对象至少包括缺陷地结构的总长度、总宽度、周期性刻蚀单元的长度、宽度和间距。

18、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s5中，完成大规模组阵的相控阵天线的形态为矩形阵列、十字形阵列、三角形阵列、六边形阵列、圆形阵列或其它形式。

19、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s6中，波束网络的数量至少为2个。

20、根据本发明的一个技术方案，所述步骤s6中，不同的波束网络地层间设置1～2层隔离地层。

21、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

22、本发明提出了一种大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，通过引入遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等优化算法，对单元间隔离金属柱、隔离金属片、缺陷地结构等结构参数进行优化，可以有效减小阵元间互耦，从而增强相控阵天线的辐射特性。

23、以端口间的s参数、天线有源增益、轴比等电性能指标作为适应度函数，并在生成子代种群时引入变异函数，增强算法的全局搜索性能，防止进入局部最优。

技术特征：

1.一种大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述相控阵天线单元为微带天线、螺旋天线或偶极子天线；

3.根据权利要求1所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s1中，若所述相控阵天线单元为线极化，则将单个所述相控阵天线单元通过平移和复制操作组成2×2规模阵列；

4.根据权利要求3所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述电特性仿真至少包括有源增益、轴比、工作带宽。

5.根据权利要求4所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s3中，对阵元间距进行优化时，最大阵元间距应根据其工作频率和最大扫描角度决定，表示为：d≤λ/(1+sinθ)，其中，d代表天线单元在排列方向上的单元间距，λ代表天线最高工作频率下的波长，θ代表天线在排列方向上的最大扫描角度。

6.根据权利要求1所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s4中，对所述四单元阵列的隔离金属柱进行优化时，在满足加工尺寸要求的情况下，优化对象至少包括隔离金属柱的间距、隔离金属柱的直径、隔离金属柱的数量。

7.根据权利要求1所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s4中，对所述四单元阵列的缺陷地结构进行优化时，在满足加工尺寸要求的情况下，优化对象至少包括缺陷地结构的总长度、总宽度、周期性刻蚀单元的长度、宽度和间距。

8.根据权利要求4所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s5中，完成大规模组阵的相控阵天线的形态为矩形阵列、十字形阵列、三角形阵列、六边形阵列、圆形阵列或其它形式。

9.根据权利要求4所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s6中，波束网络的数量至少为2个。

10.根据权利要求9所述的大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，其特征在于，所述步骤s6中，不同的波束网络地层间设置1～2层隔离地层。

技术总结
本发明涉及一种大扫描角度多波束相控阵天线去耦设计方法，包括：步骤S1、完成相控阵天线单元的设计及优化，并按照2×2的排列方式得到四单元阵列；步骤S2、对四单元阵列进行电特性仿真；步骤S3、对四单元阵列的阵元间距进行分析优化；步骤S4、采用遗传算法、蚁群算法或粒子群算法对四单元阵列的隔离金属柱、隔离金属片、缺陷地结构的参数进行优化；步骤S5、将优化后的四单元阵列进行大规模组阵；步骤S6、对不同波束网络引入隔离结构，完成多波束集成。本发明，通过引入遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等优化算法，对单元间隔离金属柱、隔离金属片、缺陷地结构等结构参数进行优化，可以有效减小阵元间互耦，从而增强相控阵天线的辐射特性。

技术研发人员：梅辰钰,金世超,刘敦歌,苏巾槐,黄俊,刘立朋,费春娇,杨钰茜,王辰宇,王静,孙家星,高峰,张正谦,程钰间
受保护的技术使用者：航天恒星科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7