阵列天线泰勒-谢昆诺夫多项式设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及模组化阵列天线，尤其是设及含零陷和模组馈电优化的阵列天线泰 勒-谢昆诺夫多项式（Taylor-SPM)设计方法。
【背景技术】
[0002] 现代无线通信系统，特别是雷达、导航和卫星通信等远距离通信，往往要求发射和 接收端的天线具有低副瓣电平的福射特性，使系统拥有较好的抗干扰、抗反福射能力和抑 制杂波等能力。为达到此要求，往往把若干个天线排列构成阵列天线。对阵列天线可W直 接用化ylor综合法处理，该样福射方向图的副瓣电平值虽然可W达到预设值，但是因各个 阵元激励幅度不同，甚至发生跳变，其馈电网络往往比较复杂，不利于设计与实现。因此，如 果将阵列天线划分为一定数量的子阵，则阵列天线的方向图综合就可W分解成子阵的方向 图综合问题，称为阵列天线的模组化优化设计。
[0003] 阵列天线的模组化设计方法由加州大学的两位学者T.化ockettand Y.民ahmat-Samii(T.BrockettandY.民ahmat-Samii.Ontheimportanceof sub-过rr过ydesigninthesuppressionofundesirablegratinglobes[C]. PhasedArraySystemsandTechnology(A民RAY)，2010IEEEInternationalSymposium on. 2010,pp. 745-750)于2010年首次提出，这种划分子阵的方法可臥降低计算的复杂度， 使馈电网络的设计与制作简化巧.BrockettandY.Rahmat-Samii.Sub-arraydesign diagnosticsforthedevelopmentoflargeuniformarrays[C].Antennasand Propagation(AP洲RSI), 20111邸EInternationalSymposiumon.2011,pp.938-941)。
[0004] 然而，由于模组么间的间距往往超过一个波长，导致模组化阵列天线的嬌射方向 图产生栅瓣。文献（T.Suda,T.TakanoandY.Kazama.Gratinglobesuppressioninan arrayantennawithelementspacinggreaterthanahalfwavelength[C].Antennas andPropagationSocietyInternationalSymposium(APSU民SI)，2010IEEE. 2010,pp. 1-4) 指出当阵元么间的间距大于半波长时，则阵因子就有可能出现栅瓣的不利影响。
[0005]由于栅瓣会使天线的嬌射效率和抗干扰能力下降，许多学者纷纷提出了多种方法 来抑制栅瓣，其中包括非巧匀子阵（N.Toyama,Aperiodicarrayconsistingofsubarrays foruseinsmallmobileearthstations[J].AntennasandPropagation,IEEE ^'ransactionson，Vol?53，No?6,2005，pp?2004-2010)、重叠子阵（何诚，刘永普，波束 形成网络中重叠子阵的设计[J].雷达科学与技术，Vol. 02, 2003,pp. 120-124)和旋转 子阵（P.HallandM.Smith.Sequentiallyrotatedarrayswithreducedsidelobe levels[C].Microwaves,AntennasandPropagation,lEEProceedings. 1994,pp. 321-325) 等，这些方法共同点是通过打破阵列天线的周期性，进而达到抑制栅瓣的目的 (民.Mailloux.Arraygratinglobesduetoperiodicphase,amplitude,andtimedelay quantization[J].AntennasandPropagation,IEEETransactionson,Vol. 32,No. 12, 198 4,pp. 1364-1368)。但是臥上这些方法没有实现按需可控性设计，且没有综合考虑侧瓣与馈 电方式和激励幅度的相互影响因素，其应用往往具有很大的局限性。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种含零陷和模组馈电优化的阵列天线泰勒-谢昆诺夫 多项式（Taylor-SPM)设计方法。
[0007] 本发明包括W下步骤：
[000引1)选定阵列天线参数；
[0009] 2)将阵列天线划分为至少2个模组；
[0010] 3)选用泰勒（Taylor)综合法计算模组的阵因子方向图；
[0011] 4)选用谢昆诺夫（SPM)综合法得到带有零陷的方向图，使零陷角度与阵因子方向 图的栅瓣角度相对应；
[0012] 5)用方向图相乘原理，抵消阵因子方向图的栅瓣，实现低副瓣福射方向图，通过预 设的零陷角度调控各个阵元的激励幅度；
[001引6)若得到的低副瓣福射方向图不能满足设计要求，则回到步骤2)对阵列天线重 新分组。
[0014] 在步骤1)中，所述阵列天线参数可包括但不限于天线口径大小、阵元数量、模组 数量、预设的自然数参量、副瓣电平值等。
[0015] 在步骤2)中，所述将阵列天线划分的方法可取决于模组阵因子方向图的栅瓣个 数，一般M个栅瓣需要M+1个模组内部阵元产生M个零陷来抵消；所述栅瓣的宽度较小，若 栅瓣宽度较大时可增加模组内部阵元数量和控制角度偏移量A来产生更多的零陷和调整 零陷角度W完全抵消阵因子的栅瓣。
[0016] 在步骤5)中，所述预设的零陷角度是与模组阵因子的栅瓣角度相对应。
[0017] 本发明推导出可W直接应用于离散阵列的化ylor综合法，并将整个阵列天线划 分为一定数量的模组，进而将推导的化ylor综合法直接运用于模组。
[001引本发明可通过选定模组内阵元数量W及合适的角度偏移量灵活控制预设的零陷 数量和角度来完全抵消阵因子的栅瓣。
[0019] 本发明提供了结合化ylor-SPM综合法的模组化阵列天线方向图综合技术，整个 综合过程简单，算法的收敛速度快，既容易获得低副瓣的福射方向图，又保持了简单的馈电 网络，减小了福射损耗，在雷达、导航和卫星通信等领域具有潜在的商业价值。本发明在当 阵列的主瓣角处于扫描状态时，SPM综合法仍能够有效地应用于低副瓣模组化阵列天线，消 除阵因子方向图的栅瓣。
[0020] 与现有的其他模组化阵列天线设计方法相比，本发明的显著优点如下：
[0021] 1、通过离散阵列化ylor综合法可W直接计算离散阵列天线的阵因子，省略了激 励电流的抽样离散化步骤，简化了设计流程。
[002引 2、可通过选取合适的模组内阵元数量、角度偏移量，使SPM综合法产生的零陷预 设数量和角度按需控制，最终刚好完全抵消模组阵因子的栅瓣。
[0023] 3、可通过预设的零陷角度按需调控各个阵元的激励幅度。
[0024] 4、可用相位阻抗匹配的等功率分配器实现模组化馈电网络，减少福射损耗，简化 了馈电网络的设计与制作，降低设计与制造成本。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明实施例的直线周期阵列模组化天线示意图。
[0026] 图2为本发明实施例的对模组分别采用化ylor综合法和阵元均匀激励时的两种 阵因子方向图。
[0027] 图3为本发明实施例的采用化^or-SPM综合法后复变量Z在单位圆上的可见区 范围及零点位置。
[0028] 图4为本发明实施例的采用化^or-SPM综合法的模组和阵因子福射方向图。
[0029] 图5为本发明实施例的采用SPM综合法的模组化化ylor直线阵列天线总的福射 方向图。
[0030] 图6为本发明实施例的采用SPM综合法的模组化化ylor直线阵列天线的归一化 激励幅度。
[003U图7本发明实施例的主瓣角目。=30。时采用h^or-SPM综合法的模组和阵因 子福射方向图.
[0032] 图8为本发明实施例的主瓣角目。=30。时采用化ylor-SPM综合法的阵列天线 总的福射方向图。
【具体实施方式】
[0033] W下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0034] 本发明实施例的设计步骤如下：
[0035] 步骤1;根据系统所需方向图综合参数选定阵列天线口径大小、阵元数量、阵元间 距和副瓣电平；
[0036]本实施例中的天线口径大小1 = 16. 2A，阵元数量为3N,= 27,N。为模组数，副瓣 电平为化L=-40地，W间距屯二1. 8A为周期直线分布，A为自由空间波长，如图1所示。
[0037] 步骤2 ;根据阵元总数将阵列天线划分为9个模组；
[003引为达到系统要求的副瓣电平化L = -40地，本实施例将该阵列天线暂划分为9个模 组。
[0039] 步骤3 ;选用离散阵列综合法计算模组的阵因子方向图；
[0040]对模组采用化^or综合法，设定预设的自然数参量6，S化=-40地，通过传统 化ylor综合法推导得出离散阵列天线化ylor综合法的阵因子计算公式为：
[0041]
【主权项】
1. 阵列天线泰勒-谢昆诺夫多项式设计方法，其特征在于包括以下步骤： 1) 选定阵列天线参数； 2) 将阵列天线划分为至少2个模组； 3) 选用泰勒（Taylor)综合法计算模组的阵因子方向图； 4) 选用谢昆诺夫（SPM)综合法得到带有零陷的方向图，使零陷角度与阵因子方向图的 栅瓣角度相对应； 5) 用方向图相乘原理，抵消阵因子方向图的栅瓣，实现低副瓣辐射方向图，通过预设的 零陷角度调控各个阵元的激励幅度； 6) 若得到的低副瓣辐射方向图不能满足设计要求，则回到步骤2)对阵列天线重新分 组。
2. 如权利要求1所述阵列天线泰勒-谢昆诺夫多项式设计方法，其特征在于在步骤1) 中，所述阵列天线参数包括但不限于天线口径大小、阵元数量、模组数量、预设的自然数参 量、副瓣电平值。
3. 如权利要求1所述阵列天线泰勒-谢昆诺夫多项式设计方法，其特征在于在步骤2) 中，所述将阵列天线划分的方法取决于模组阵因子方向图的栅瓣个数，M个栅瓣需要M+1个 模组内部阵元产生M个零陷来抵消。
4. 如权利要求1所述阵列天线泰勒-谢昆诺夫多项式设计方法，其特征在于在步骤5) 中，所述预设的零陷角度是与模组阵因子的栅瓣角度相对应。
【专利摘要】阵列天线泰勒-谢昆诺夫多项式设计方法，涉及模组化阵列天线。1)选定阵列天线参数；2)将阵列天线划分为至少2个模组；3)选用Taylor综合法计算模组的阵因子方向图；4)选用SPM综合法得到带有零陷的方向图，使零陷角度与阵因子方向图的栅瓣角度相对应；5)用方向图相乘原理，抵消阵因子方向图的栅瓣，实现低副瓣辐射方向图，通过预设的零陷角度调控各个阵元的激励幅度；6)若得到的低副瓣辐射方向图不能满足设计要求，则回到步骤2)对阵列天线重新分组。可通过预设的零陷角度调控各个阵元的激励幅度；利用相位阻抗匹配的等功率分配器实现模组化馈电网络，减少辐射损耗，降低设计与制造成本。
【IPC分类】H01Q21-29
【公开号】CN104701639
【申请号】CN201510155810
【发明人】周建华, 李坚, 游佰强, 李世冲, 蔡龙瑞, 李 杰
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年4月3日