相控陣天線陣面綜合實現方法技術

本發明專利技術提供了一種相控陣天線陣面綜合實現方法，包括以下步驟：步驟一，建立子陣級仿真模型，并考慮互耦效應計算作為子陣的待考核單元的輻射單元的陣中方向圖；步驟二，將對天線方向圖產生影響的參數作為設計變量，建立二維陣列優化綜合模型和基于非線性最小二法的數學模型；以及步驟三，采用軟件自帶函數對數學模型進行求解，并通過優化綜合對參數進行優化。因此，采用本發明專利技術的方法，可以對復雜的二維陣列進行優化綜合，仿真優化結果適用于不同切面，并且優化綜合使用算法簡單，經多次計算可以獲得全局最優解。

Integrated implementation method of phased array antenna array

The invention provides a comprehensive realization method of phased array antenna, which comprises the following steps: step one, the establishment of subarray level simulation model, and considering the mutual coupling effect was calculated as the direction of radiation for unit assessment unit array array diagram; step two, will have an impact on the antenna parameters as the design the establishment of a two-dimensional array of variables, the optimal synthesis model and nonlinear mathematical model based on the method of minimum two; and step three, the software functions to solve the mathematical model, and through the comprehensive optimization to optimize the parameters. Therefore, the method of the invention can optimize the synthesis of a two-dimensional array of complex, the results of simulation and Optimization for different sections, and the optimization of the integrated use of simple algorithm, after repeated calculation can obtain the global optimal solution.

【技術實現步驟摘要】
相控陣天線陣面綜合實現方法
本專利技術屬于微波天線
，涉及一種相控陣天線陣面綜合實現方法。
技術介紹
相控陣天線具有波束掃描快捷、波束形狀可變、無活動部件、對衛星姿態無影響、抗干擾能力強等特點。由于相控陣天線本身的特點，給其應用帶來諸多限制，例如掃描角度較小、副瓣較高、互耦效應大等問題。相控陣天線的輻射單元端口的反射系數S11定義為S11＝b/a，其中，a是端口輸入功率，b是反射回端口的功率，但是在多端口陣列中，端口的反射系數不僅僅是受本端口輸出輸入功率比的制約，還需要考慮到其他端口的輸出的功率到達該端口的功率。如圖1所示，給出了陣列天線信號激勵與反射的示意圖。由于相控陣天線的輻射單元性能受到周圍天線的影響，從而使其端口反射系數和輻射方向圖都發生改變。輻射單元的阻抗會隨波束掃描角θ而變化，天線與自由空間不匹配會在某些掃描角產生大的功率反射，導致方向圖性能惡化。這種變化是主要由于各輻射單元的能量耦合引起的，當單元間距小到一定程度，如一個波長以內，其大小不可忽視。近年來隨著相控陣天線技術的不斷發展，相控陣天線技術開始應用于宇航領域中，主要用于建立測距與通信鏈路。為保證相控陣天線對來自非目標區域的干擾信號具有抑制能力，必須有效地降低天線的副瓣電平。在現有技術中，目前常用的低副瓣優化綜合方法，比較有代表性的是Schelkunoff單位圓法和Dolph-Chebyshev法等，然而，這些方法存在以下缺點：1)只對陣列因子進行優化綜合，不考慮單元互耦影響。對于一個有限口徑的陣列，陣元之間的互耦影響使得每個陣元的方向圖與其所處的位置有關，如不考慮互耦影響，則優化得到的結果與實際的天線方向圖存在差異；2)在進行一維線性陣列天線方向圖綜合時可以獲得較好的結果，對于結構復雜的二維陣列，由于影響陣列天線方向圖特性的系統參數較多，大量優化變量已經超出了算法的承受能力，而且陣列方向圖函數及其約束條件呈現多參數、非線性、不連續等特性，很難得到全局最優解；3)通常的優化對象只包括陣元激勵幅度，無法對陣元間距、陣列布局等參數進行優化。
技術實現思路
為了解決現有技術中存在的問題，本專利技術提出了一種相控陣天線陣面綜合實現方案，通過建立子陣級仿真模型，根據仿真模型判斷互耦效應對單元有源駐波的影響并計算考慮互耦效應的輻射單元陣中方向圖，通過建立二維陣列優化綜合模型和基于非線性最小二法的數學模型，將陣元間距，陣列布局等對天線方向圖產生影響的參數也納入設計變量中，進而通過優化綜合對此類參數進行優化。本專利技術提供了一種相控陣天線陣面綜合實現方法，包括以下步驟：步驟一，建立子陣級仿真模型，并考慮互耦效應計算作為子陣的待考核單元的輻射單元的陣中方向圖；步驟二，將對天線方向圖產生影響的參數作為設計變量，建立二維陣列優化綜合模型和基于非線性最小二法的數學模型；以及步驟三，采用軟件自帶函數對數學模型進行求解，并通過優化綜合對參數進行優化。在本專利技術中，子陣級仿真模型為：將子陣的中心單元作為待考核單元，并在其周圍按是奇陣列構型分布多圈單元，其中，各個單元之間的間距和布局與實際陣列結構一致。步驟一包括：采用電磁仿真軟件，構建子陣級仿真模型，以計算輻射單元的陣中方向圖和反射系數；根據子陣級仿真模型，判斷互耦效應對輻射單元的有源駐波的影響；以及考慮到子陣中的其他單元對輻射單元的互耦效應，獲得輻射單元的陣中方向圖。具體地，在步驟一中執行：對子陣中的所有單元進行饋電，通過改變各個單元的激勵相位，使子陣的方向圖的波束指向在波束覆蓋范圍內的多個典型波位，從而計算每個波位下帶考核單元的反射系數；將子陣中除了待考核單元外的其他單元置于不加激勵的端口匹配狀態并對待考核單元單獨饋電；以及考慮到子陣中的其他單元對待考核單元的互耦效應，通過仿真計算得到待考核單元的陣中方向圖，其中，反射系數隨波束指向而變化，從而表示子陣中的其他單元對待考核單元產生的影響。對天線方向圖產生影響的參數至少包括：單元的激勵幅度、單元間距、和單元柵格位置。步驟二包括：將對天線方向圖產生影響的參數作為設計變量；根據要求指標，建立優化綜合的目標方向圖；在優化綜合的目標方向圖的方位面上，取多個切面參加優化計算并設計包含不同切面的優化綜合目標函數；以及考慮到設計變量待滿足的邊界約束條件，建立基于非線性最小二法的數學模型。另外，要求指標至少包括：要求的方向圖波瓣寬度、副瓣電平。在本專利技術中，軟件自帶函數為Matlab自帶的非線性最小二乘解函數。相應地，在步驟三中執行：采用Matlab自帶的非線性最小二乘解函數，經過有限次迭代趨向最優解，求得基于非線性最小二法的數學模型的最優解，此時作為運算返回值的殘差很小。因此，采用本專利技術，與現有技術相比可以實現以下有益效果：1)通過對子陣仿真模型進行仿真計算，可以根據計算結果判斷互耦效應對單元有源駐波的影響，確定陣列設計是否滿足使用要求，并通過仿真計算獲得考慮互耦效應的單元陣中方向圖；2)陣列優化綜合模型工程性強，可以對復雜的二維陣列進行優化綜合，將陣元激勵幅度、陣元間距，陣列布局等影響天線方向圖的因素均納入優化范圍，并且仿真優化結果適用于不同切面；3)優化綜合使用算法簡單，可直接調用Matlab自帶的非線性最小二乘解函數求解，經多次計算可以獲得全局最優解。附圖說明圖1是陣列天線信號激勵與反射(即，陣列互耦影響或效應)的示意圖；圖2是本專利技術所涉及的子陣布局的示意圖；以及圖3是本專利技術所涉及的典型二維陣列的示意圖。具體實施方式應了解，本專利技術的相控陣天線陣面綜合實現方法，可解決以下技術問題：1)建立子陣級仿真模型，子陣中心單元e為待考核單元，其周圍按實際陣列構型分布多圈單元，其中，通過仿真計算獲得互耦效應對待考核單元e有源駐波的影響，同時獲得待考核單元e的陣中方向圖，陣中方向圖已考慮到陣中其他單元對其互耦影響；2)建立二維陣列優化綜合模型，將對天線方向圖產生影響的參數作為設計變量，包括陣元激勵幅度、陣元間距，陣列布局等因素，根據使用需求設定理想方向圖函數作為優化目標，在方位面取若干切面參加優化計算，設計包含不同切面的優化綜合目標函數，建立基于非線性最小二法的數學模型，通過多次運算求得全局最優解。因此，在本專利技術的相控陣天線陣面綜合實現方法中，首先，建立子陣級仿真模型，用于計算考慮互耦效應的輻射單元陣中方向圖，然后，建立二維陣列優化綜合模型和基于非線性最小二法的數學模型，采用Matlab自帶的非線性最小二乘解函數求解該問題，最后，將陣元間距，陣列布局等對天線方向圖產生影響的參數也納入設計變量中，通過優化綜合對此類參數進行優化。為了模擬列陣中單元實際工作狀態，考慮單元互耦的影響，采用電磁仿真軟件構建子陣級仿真模型，用于計算陣列中輻射單元的陣中方向圖和反射系數。子陣中心單元e為待考核單元，其周圍分布三圈單元(三圈以外陣元影響較小，可忽略)，單元間距和布局與實際陣列結構一致。首先，子陣中所有單元進行饋電，通過改變各單元的激勵相位，使子陣方向圖的波束指向波束覆蓋范圍內若干典型波位，計算每個波位下單元e的反射系數。反射系數隨指向變化，表明陣中其它陣元對單元e產生影響。將子陣中除單元e外其它單元置為端口匹配狀態(不加激勵)，對單元e單獨饋電，通過仿真計算得到單元e的陣中方向圖，此方向圖已考慮本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種相控陣天線陣面綜合實現方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，建立子陣級仿真模型，并考慮互耦效應計算作為子陣的待考核單元的輻射單元的陣中方向圖；步驟二，將對天線方向圖產生影響的參數作為設計變量，建立二維陣列優化綜合模型和基于非線性最小二法的數學模型；以及步驟三，采用軟件自帶函數對所述數學模型進行求解，并通過優化綜合對所述參數進行優化。

【技術特征摘要】
1.一種相控陣天線陣面綜合實現方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，建立子陣級仿真模型，并考慮互耦效應計算作為子陣的待考核單元的輻射單元的陣中方向圖；步驟二，將對天線方向圖產生影響的參數作為設計變量，建立二維陣列優化綜合模型和基于非線性最小二法的數學模型；以及步驟三，采用軟件自帶函數對所述數學模型進行求解，并通過優化綜合對所述參數進行優化。2.根據權利要求1所述的相控陣天線陣面綜合實現方法，其特征在于，所述子陣級仿真模型為：將所述子陣的中心單元作為所述待考核單元，并在其周圍按是奇陣列構型分布多圈單元，其中，各個單元之間的間距和布局與實際陣列結構一致。3.根據權利要求2所述的相控陣天線陣面綜合實現方法，其特征在于，所述步驟一包括：采用電磁仿真軟件，構建所述子陣級仿真模型，以計算所述輻射單元的陣中方向圖和反射系數；根據所述子陣級仿真模型，判斷所述互耦效應對所述輻射單元的有源駐波的影響；以及考慮到所述子陣中的其他單元對所述輻射單元的互耦效應，獲得所述輻射單元的所述陣中方向圖。4.根據權利要求2所述的相控陣天線陣面綜合實現方法，其特征在于，在所述步驟一中執行：對所述子陣中的所有單元進行饋電，通過改變各個單元的激勵相位，使所述子陣的方向圖的波束指向在波束覆蓋范圍內的多個典型波位，從而計算每個波位下所述帶考核單元的反射系數；將所述子陣中除了所述待考核單元外的其他單元置于不加激勵的端口匹配狀...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳騰博，薛欣，張濤，范占春，江濤，杜海龍，李佼珊，
申請(專利權)人：北京空間飛行器總體設計部，
類型：發明
國別省市：北京,11