[发明专利]一种基于子阵排列的相控阵天线及其系统

说明书

本发明公开了一种基于子阵排列的相控阵天线，包括多个子阵单元，所述子阵单元错位排列，所述子阵单元错位排列构建的相控阵天线结构为同时满足中心对称以及轴对称的结构；所述中心对称的对称中心为所述轴对称的对称轴形成的坐标系的原点。在保证相控阵天线性能的前提下，降低相控阵天线的成本，当扫描角度的范围在20°以内时，本发明减少50％的射频通道，性能与传统相控阵相当，因此可以节约50％的成本和功耗；当扫描角度为60°时，本发明在不牺牲性能的情况下可以节约29.7％的成本和功耗。

技术领域

本发明涉及天线领域，具体涉及一种基于子阵排列的相控阵天线及其系统。

背景技术

相控阵的概念源于1889年，但是直到1906年简单的二源阵才试验成功，20世纪20年代出现了短波无线电设备，第二次世界大战期间出现了低频的天线阵列，到了20世纪60年代相控阵雷达技术获得了很大的发展和应用，当时主要用于探测空间目标。如今相控阵天线已经得到了广泛的应用，但是不同的应用场景对相控阵天线的工作要求不同，比如5G高频基站要求相控阵水平实现±60°、俯仰±15°的覆盖范围，而卫星载荷的相控阵天线要求具有圆形的覆盖范围，即各个方向上的扫描能力相当。

相控阵天线具有波束指向、波束形状快速变化的能力，并且易于形成多个波束，可以在空间形成信号的功率合成。正是因为以上特点，相控阵天线被广泛应用于军事、航空和无线通信等领域。虽然相控阵天线有诸多优势，但是它的每一个辐射单元都需要连接一个用于增益提升、相位调节的射频通道，这大大增加了它的制作成本，显著提高了对其使用的门槛。

为了降低传统相控阵的成本，近年来大量的研究者利用稀疏阵、稀布阵基于优化算法，致力于在相同的天线口径下减少阵列的辐射单元，从而减少射频通道数，以此来降低相控阵天线的成本。但是利用优化算法得到的阵列单元位置是随机的，并且由于注销了一些贡献不大的辐射单元，使得稀疏阵中一些辐射单元的距离变大，这可能使得相控阵天线的副瓣电平升高，甚至会出现栅瓣，从而极大的影响阵列的性能。此外，稀疏阵、稀布阵对天线的稀疏处理，会导致每个天线单元的辐射边界条件不一致，造成所提取的单元方向图不具备普适性，从而影响阵列方向图的综合精度。

另一方面，让相控阵中邻近的辐射单元组成子阵共用一个射频通道，同样能够有效的减少射频通道的数量，从而降低相控阵的成本。通常这些子阵的形状为规则的矩形，这就导致了子阵相位中心之间的距离过大，其距离远远大于半个介质波长，可能超过一个介质波长甚至达到几个介质波长。如此一来会使得阵列出现栅瓣从而极大的降低相控阵的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是在保证相控阵天线性能的前提下，降低相控阵天线的成本，提出了一种基于子阵排列的相控阵天线。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于子阵排列的相控阵天线，包括多个子阵单元，所述子阵单元错位排列，所述子阵单元错位排列构建的相控阵天线结构为同时满足中心对称以及轴对称的结构；所述中心对称的对称中心为所述轴对称的对称轴形成的坐标系的原点。

本方案中，相控阵天线包括多个子阵单元，所述子阵单元错位排列构成了相控阵天线结构，所述相控阵天线结构同时满足中心对称以及轴对称；所述中心对称的对称中心为所述轴对称的对称轴形成的坐标系的原点，即相控阵天线结构为中心对称图形，且相控阵天线以该对称中心作为原点形成的两个坐标轴，分别成轴对称结构。所述子阵单元包括至少两个天线单元，所述子阵单元由1个射频通道驱动，有效的减少了射频通道的数量，极大的降低了相控阵天线的成本和功耗。子阵单元的交错排布不仅有效的抑制了栅瓣还保证了相控阵天线的扫描能力，且相控阵天线的对称性保证相控阵天线实现圆形区域覆盖，因此本发明特别适合用于卫星通信和地面移动通信等，但不仅仅只局限于这两种类型的应用。

优选的，所述相邻天线单元间的距离相等，范围为0.45-0.7个波长，通过控制天线单元的距离，避免子阵间的距离过大，有效的降低栅瓣出现的概率，提高相控阵天线性能。