[发明专利]由多元子阵构成的稀疏相控阵天线

说明书

技术领域

    本发明涉及一种有限扫描能力的高增益稀疏天线阵，特别是一种由多元子阵构成的稀疏相控阵天线。该技术可应用于相控阵雷达系统而使阵元数大为减少，从而大大降低系统成本。

背景技术

相控阵系统以其快捷的波束扫描模式、灵活的波形综合以及更高的发射功率等特点，已广泛应用于雷达、遥感和通信等领域。而相控阵天线是决定整个相控阵系统性能的关键子系统，其好坏直接影响着全系统的分辨率、作用距离、体积和成本等指标。

但是，按照传统天线阵的综合理论，阵元间距需小于一个波长以避免形成栅瓣而降低主瓣增益；而当要求工作于相扫描模式时，阵元间距限制更严格，通常取为0.5波长。这意味着更多的天线单元数量和T/R组件，使得相控阵系统造价变得相当昂贵。稀疏天线阵可以在满足性能的前提下减少阵元数量以实现低成本，因此得到了广泛的研究。

国内外稀布阵的研究主要可以分为两种：1）硬实现方式，通过对周期性的满阵按某些规律抽去一些阵元以实现稀布；2）软实现方式，这种方式多用于合成孔径辐射计（SIAR）或一些浮空平台对地观测，通过对稀疏阵在不同位置进行频率采样，用信号处理的方式还原到类似满阵的性能。前者能够用较少的单元实现较窄的波束和较低的旁瓣电平，但是其增益比满阵有较明显的下降，其下降幅度同稀布率等因素有关。这类稀布阵的研究多采用优化算法或用穷举法对旁瓣进行自适应优化，缺乏直观的解析理论且计算量较大，尤其是近来这类稀布阵往往采用微扰或非线性布阵（上限下限法/下限及指定口径面）进行非均匀布阵以进一步克服栅瓣，更增加了计算的复杂性（王玉峰、张建强等，“矩形平面稀疏阵的免疫算法优化”，通信对抗，N0.99，2007，pp：29-32； KUMAR B P and BRANNER G R. Generalized analytical technique for the synthesis of unequally spaced arrays with linear ,planar ,cylindrical or spherical geometry，IEEE Trans. Antennas Propagation , 2005 , 53(2) : 621-634； 陈客松、何子述，平面稀布天线阵列的优化算法，电波科学学报，24(2),2009:193-198）；后者的稀布方式主要是利用了信号的后处理和校正,通过压缩空间频率的冗余度实现稀布,缺点是需要可观的计算量且应用范围比较有限(保铮,张庆文. 一种新型的米波雷达2综合脉冲与孔径雷达,现代雷达,1995,2:1-13; 陆鹏程,徐海洲,徐晋,付启众,胡坤娇, 稀布阵综合脉冲孔径雷达阵列优化设计,雷达科学与技术,6(4),2008:243-246;董健,李青侠等，综合孔径辐射计二维稀疏天线阵列排列方法，微波学报，25(2),2009:83-86, Li Zhenfang ,Bao Zheng ,Wang Hongyang ,Liao Guisheng. Performance improvement for constellation SAR using signal processing techniques. IEEE Trans, 2006, AES-42(2):436-452.)。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种由多元子阵作为阵元构成的稀疏相控阵天线,它引入多元子阵来提供一种有限扫描能力（-30°~ +30°）并且高增益（与满阵相近）的等距分布稀疏阵，其阵元间距取为1~ 1.6个波长，其方向图可由经典的阵因子理论综合得到。具有设计简单可靠，无需信号后处理等优点

为达到上述目的，本发明的构思是：

传统的天线阵（满阵）的指导思想是通过减小阵元之间的间距，使栅瓣的位置出现在实空间（-90°~ +90°）之外，以避免栅瓣引入所带来的方向性下降，其代价是阵元多。

根据方向图乘积原理，天线阵的方向图由单元方向图和阵因子两部分构成。因此，本发明通过合理设计单元的方向图，使单元直角坐标方向图成为矩形窗型，以此方向图“调制”天线阵总方向图。这样，即使阵元间距大，以致阵因子的栅瓣出现在实空间（-90°~ +90°），只要栅瓣位于单元方向图的“矩形窗”之外，最后天线阵总方向图会由于单元方向图的调制作用而降低此栅瓣至足够低（参见图2）。