[发明专利]一种宽带相控阵天线建模方法、装置及电子设备

说明书

本发明公开了一种宽带相控阵天线建模方法、装置及电子设备，该方法包括在天线设计软件中，生成单元天线模型；存储并导入所述单元天线模型的模型文件至电磁仿真软件，基于所述模型文件构建天线阵列；通过matlab调用所述天线阵列，循环遍历生成所述天线阵列在不同工况下的阵列数据，生成可视化数据模型，所述可视化数据模型用以判断不同参数下所述天线阵列的电气性能以及不同参数对电气性能的影响。本发明实现了避免了人工的计算，建模效率和精确度更高。还能够对不同工况下的计算数据进行处理和可视化显示，满足不同情况的需求。

技术领域

本申请涉及短波相控阵天线技术领域，具体而言，涉及一种宽带相控阵天线建模方法、装置及电子设备。

背景技术

宽带天线和阵列是许多先进通信系统的关键组成部分。对于这些系统，用一个超宽带阵列取代窄带天线系统，不仅能够节省功率、成本和空间，而且它们还能够提高数据速率和安全的扩频通信。除了工作带宽之外，这些阵列通过调整单元天线模型的馈电相位还可以实现大范围的波束扫描，从而达到对指定的区域进行全面覆盖的目的。

在设计宽带相控阵天线系统时，如何快速有效的根据系统指标和尺寸要求，选择合适的单元天线模型和阵列形式，并采用电磁仿真软件对其性能快速的进行评估是整个系统设计的关键。

众所周知，要实现相控阵天线的主波束指向不同的方向，需要改变天线阵中各个单元天线模型的馈电相位。然而根据天线阵理论，不同的阵列形式所需要的馈电相位差也不尽相同。以常见的直线阵为例，如图1所示，由N个单元天线模型沿直线排列组成N元直线阵，相邻单元天线模型的间距为d。若要使得直线阵的主瓣指向θ₀方向(与天线轴的夹角)，相邻阵元之间的相位差ξ的表示式为：式中c₀为自由空间中电磁波传播速度，其值为3×10⁸m/s，f为天线阵的工作频率。从式中可以明显的发现，相邻阵元间的馈电相位差与工作频率f、阵元间距d以及扫描角度θ₀决定。

相控阵天线通常具有较宽的工作频带和大范围波束扫描能力。假设所要设计的天线阵的工作频率范围为[f_min，f_max]，波束扫描范围为[θ_min，θ_max]，由于天线阵安装平台的空间限制，天线阵的尺寸将会受到一定限制，导致阵元间距也存在一定的范围，假设为[d_min，d_max]。

根据以上分析，能够在空间场地受限的情况下设计出满足系统指标要求(通常指标为增益、驻波比、方向图、波束宽度等)的天线系统，就需要对可能存在的天线阵的结构形式在不同的工况下(不同的工作频率、不同的波束指向)进行全面仿真计算，根据计算得到的电参数对比分析给出满足要求的天线阵列设计方案。

对于单个宽频段天线，采用现有的电磁仿真软件(FEKO、HFSS等)通过单个端口激励的设置就能够对天线的性能进行全频段的仿真计算。但对于宽带相控阵天线而言，它由多个宽带天线组成，在仿真时需要设置多个激励端口，同时需要根据不同天线阵列结构和不同的工作频率，设置不同的相位，从而计算天线阵在不同工况下的电参数。

对于工作频率范围为[f_min，f_max]，波束扫描范围为[θ_min，θ_max]，阵元间距范围为[d_min，d_max]的天线阵而言，常用的方法就是将工作频率、波束扫描范围、间距范围按照一定的采样间隔进行离散化，假设频率间隔为Δf、扫描角度间隔为Δθ、间距间隔为Δd，为了评估相控阵天线的性能，则需要在这些离散的工况下进行全面的计算。

然而，当天线阵的频率范围越宽，扫描角度越大，阵列结构多样化时，则仿真计算的频率、扫描角度以及间距的取样越小，此时计算的工作量将成倍增长。若采用人工的方式进行设置和计算，将可能会导致计算量大、周期长、容易出现人为错误，同时不同工况下的计算数据处理和显示也是一项巨大的工程。

发明内容