[发明专利]一种基于子阵级混合布阵的大间距阵列天线及设计方法

说明书

本发明公开了一种基于子阵级混合布阵的大间距阵列天线及设计方法，属于天线技术领域，天线阵面由规则的模块化的相同子阵按照混合布阵规则排列而成，以几何中心建立直角坐标系，整个阵面成轴对称和中心对称。混合布阵规则包含环栅排布和矩形排布两种布阵方式，以二分之一半径位置为分界，大于二分之一半径的外围子阵构成环栅排布，小于二分之一半径的内围子阵构成矩形排布。本发明可以使大间距阵列在保证较低副瓣的同时，实现较好的栅瓣抑制效果；基于模块化的相同子阵可以大大简化阵列的设计难度，且混合布阵方式可以降低阵列结构的实现难度。

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更为具体的，涉及一种基于子阵级混合布阵的大间距阵列天线及设计方法。

背景技术

相控阵天线通过独立控制辐射单元的幅度和相位可快速实现波束的扫描，在雷达、通信、测控等领域得到很好应用。为保证较好的辐射性能，相控阵天线的单元间距往往较小，接近半波长，同时为实现较高的增益，相控阵天线的口径需要按比例扩大，这必然导致天线单元数量成几何倍数增长，带来系统成本越来越高，散热和结构设计难度越来越大。解决方法是可以通过增大阵元间距来减少单元通道数，有两种途径可以实现，一是均匀的增大阵元间距，二是非均匀的增大阵元间距，如稀疏布阵。前者在阵列扫描过程中不可避免地会导致阵列出现栅瓣，造成阵列增益的下降，也在不需要的空域出现干扰，影响系统功性能。后者会导致阵列口径利用率降低，同时非均匀排布的阵面与接口均匀的组件的过渡连接的难度也较大，模块化程度低，维修和结构等工程实现难度大，限制了该技术的发展。

均匀的增大阵元间距是一种有效的减少阵列通道数的方法，重点是如何解决工程实现问题和对栅瓣进行有效抑制。学者提出采用子阵级非周期布阵来有效解决工程实现的问题，相比于单元级的非周期布阵，该方法以一个标准的子阵作为基本单位，天线和后端的组件构成通用的模块，模块化的设计带来该方法得到工程应用，如GBR雷达阵列。

子阵级非周期布阵常用的两种方法是：子阵级错位排布和子阵级环栅排布。子阵级错位排布的基本思路是让均匀排布的子阵在每行和每列的相位中心连线不为直线，呈现曲线状。在中国发明专利申请“超大间距阵列无栅瓣大角度扫描布阵方法”(公开号CN113113784A)、“一种基于镜像模块的子阵级非周期阵列天线及设计方法”(公开号CN112952402A)、“一种基于子阵级的大单元间距相控阵天线”(授权号CN106911010B)、公布在《火控雷达技术》的“基于改进遗传算法的分布式阵列栅瓣抑制算法研究”等现有技术均采用了子阵级错位排布方法。该方法多结合优化算法对子阵间的错位空间和子阵内单元间距进行阵列综合优化，通过优化可以得到较好的辐射性能。但是该方法使子阵间的距离为随机优化的变量，首先，综合优化导致设计耗时，阵列的口径和频段变化后需要重新进行优化，不满足快速设计和通用性的要求；其次，该方法导致阵列的结构设计非常复杂，带来的液冷散热管道排布、组件的安装等非常复杂。

子阵级环栅排布的基本思想是利用圆环阵本身具有的不对称性来抑制栅瓣，朱瑞平在《现代雷达》发表“一种新型有限扫描空馈相控阵天线”中提出采用圆环栅格结构和子阵插箱结构来抑制栅瓣，该方法天线子阵种类较多，不便于后端组件连接。在《电波科学学报》公布的“基于同心圆环的大间距子阵级阵列栅瓣抑制”中对该方法进行了改进，通过采用模块化的子阵在阵面呈同心圆排布，并结合优化算法可以获得较好的栅瓣抑制和工程实现性。但是该方法同样对算法和计算资源的依赖较高，而且当将该方法应用到单元间距大于2个波长的阵列设计时，中间子阵间距大，阵列呈现中间稀疏周围稠密的布局，导致阵列的副瓣电平急剧恶化，尤其是第一副瓣电平。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于子阵级混合布阵的大间距阵列天线及设计方法，可以使大间距阵列在保证较低副瓣的同时，实现较好的栅瓣抑制效果，可以大大简化阵列的设计难度，且混合布阵方式可以降低阵列结构的实现难度，具有栅瓣抑制、副瓣抑制、工程实现性和设计效率高等优点。

本发明的目的是通过以下方案实现的：