[发明专利]大规模球柱面阵阵元数量的削减方法

说明书

本发明公开的一种大规模球柱面阵阵元数量的削减方法，旨在提供一种可以获得与满阵相当电性能，能够显著削减球柱面天线阵列总的阵元数量的方法。本发明通过下述技术方案实现：建立坐标系，按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则构建天线子阵。沿着坐标系的俯仰向和方位向划分子阵，构建初始满阵；基于大间距阵元排布建立球柱面阵天线阵列模型，通过构建大阵元间距排布的新的天线子阵；然后，根据阵元间距设定的激活角域、不同的来波方向，计算每种阵元间距下天线阵列的合成增益，通过合理减小球柱面曲率，增大球柱面直径至合适值来补偿天线总的阵列合成增益，在阵元数量得到削减同时，获得与满阵阵列相近的增益值和副瓣特性。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于大间距阵元排布的球柱面阵列阵元削减方法，适用于存在大规模阵元的均匀分布的球柱面天线阵列的阵元数量削减技术，通过该技术可显著降低阵列的通道数和阵列的成本。

背景技术

在现代雷达系统中，天线阵列作为信号的接收与发射端，在整个系统中扮演着十分重要的角色。但在很多场合需要对天线阵列各个阵元位置进行优化，在减少阵元数目的同时获得较低的旁瓣电平及较理想的阵列增益。然而天线阵列的性能优化属于一个多变量的非线性优化问题，处理起来非常困难，尤其对于大型的相控阵而言，目前可以利用的处理方法还十分有限。通常，天线阵元单元按照一定的排布方式组成阵列天线，可将阵元排布为直线、平面、圆环或与载体表面共形。为了获得更高的空气动力学性能,现有技术越来越希望将它们所携带的电子设备安装在各种武器表面上，使其所形成的阵面与各武器平台表面相吻合，相比于平面阵,共形阵能与载体共形不破坏载体的机械结构,这不仅可以节省空间，而且可以快速无惯性扫描，并且在大扫描角的情况下可减小适配损耗。但随着人们对雷达分辨力、多目标检测与跟踪能力、抗干扰能力要求的提高，雷达天线阵列的孔径越来越大，阵元个数也越来越多。雷达天线阵元数目的剧增，直接引起天线阵列成本的增加和数据处理难度的加大。并且传统的均匀线阵的阵元间距一般都有不超过信号的载波波长一半的限制。根据阵元是否按照栅格排列，阵元位置优化又分为稀疏和稀布，用合理的优化策略对阵元位置进行优化后，并未明显降低。由于共形天线阵列优化问题是一个复杂的非线性优化问题，直接求解很困难，尤其对于大型的天线阵列，可用的优化方法还十分有限。优化效果也只能满足工程的一般需要。对于大型天线阵列阵元位置的优化问题，目前真正实用的方法并不多。

天线阵元单元数目是影响阵列天线辐射特性的重要参数。为实现对多目标的高分辨率搜索、跟踪，需要采用较大口径的相控阵列，与之对应的是成千上万个天线阵元单元和接收通道。首先，连接阵元的馈电网络、移相器、收发组件、放大器等占据了相控阵的大部分成本，相控阵的高成本成为制约相控阵发展的重要因素。其次，越多的阵元意味需要越多的馈电网络端口与之相连，无疑增加了馈电网络的插入损耗，这些损耗时导致系统增益和阵列效率下降的直接因素之一。再次，越多的阵元需要越多的收发组、移相器等与之对应，即更多的重量会附加在相控阵系统中，使载体平台难以承受其重。另外，为覆盖足够的观测范围，天线波束需扫描或天线应具有同时多波束处理能力，这使得系统变得更为复杂。由于成本削减的现实需求和设备量的限制，需要研究大规模阵元相控阵削减成本的方法。

针对有源相控阵，阵元的分布与口径直接影响天线的成本，从而影响天线的辐射性能。为了实现高增益、低副瓣的天线性能，同时节省工程成本、节约天线阵元单元数量、减少天线自重及体积等，逐渐展开了对稀疏阵列天线问题的研究。阵列天线及射频分系统占据了材料费和设计费用的大部分，约80%，占总报价的70%。且阵列天线及射频分系统的费用基本与阵元数N成正比例关系，意味着阵元越少，整个等效球的造价也随之减小。经过粗略核算，若阵元数减少20%，约占总造价的11%；若阵元数减少30%，约占总造价的17%。因此，为实现球柱面共形阵的成本削减，其阵元削减技术显得格外有意义。另外，受球柱面曲率影响，球柱面阵的设计比平面阵复杂得多，球柱面的性能不仅与阵元单元数目有密切的联系，还与阵元排布形式、阵元间距、阵元增益、幅相激励、及阵元激活角等息息有关，这进一步增加了低成本球柱面阵的设计困难。