[發明專利]最小間距可控的超寬帶無柵瓣稀疏線陣設計方法

在審

• 申請號: 201611199282.8
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106650260A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 劉顏回;楊雨琦;張正鴻;張浩斌;王亮;劉洋;唐益民
• 申請（專利權）人: 廈門大學;中國電子科技集團公司第二十九研究所
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;H01Q21/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所(普通合伙)35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及天線，尤其是涉及一種最小間距可控的超寬帶無柵瓣稀疏線陣設計方法。

背景技術

隨著電子技術的飛速發展和寬帶通信設備的出現，天線的超寬帶技術也在不斷發展。超寬帶天線可以實現寬帶信號的瞬時接收，且可以為不同功能系統共享使用，在通信、導航、雷達中具有較為廣泛的應用[1,2]。在不同應用下超寬帶有不同的定義，本發明中對超寬帶的定義指的是頻域的帶寬比值不小于3︰1。稀疏陣列是指陣元位置不再以半波長等間距均勻分布，而是按照某種規則進行不等間距分布，其具有波束窄、空間角分辨率高、能減弱陣元間互耦等特點，這些優點使得稀疏陣列天線頗具實用性，在雷達、聲納系統等中具有重要作用[3]。眾所周知，按照傳統方法設計等間隔超寬帶陣列時，頻率增大時電尺寸也會不斷增大，最終導致在高頻段時產生柵瓣問題[4,5]；而如果采用稀疏陣列布局技術，則可以在一定程度上降低柵瓣電平。由于實際工程中的單元天線總是具有一定的物理尺寸，因此稀疏陣列設計通常需滿足最小間距的設計要求。

關于稀疏陣列的研究有很多，文獻[6]中提出了一種基于凸優化實現陣列稀疏化的方法，兩個優化目標分別是最大程度降低峰值副瓣電平和最大化稀疏度，相對于陣元數目相同的均勻線陣，該稀疏線陣具有更低的峰值副瓣電平和更窄的主瓣寬度，但該方法并未涉及到寬帶的性能。中國專利CN201410419309.4公開了一種陣列天線輻射場和散射場綜合低副瓣快速實現方法[7]，該專利先對均勻陣列優化得到初始稀疏排布方案，再計算和對比陣列天線的輻射場和散射場的最大副瓣電平，當同時滿足低副瓣要求則得到優化結果，否則通過交叉和變異的方法更新陣列天線稀疏排布矩陣，該專利不足之處在于并未涉及到寬帶性能，該陣列在超寬帶頻率范圍工作時存在出現柵瓣的問題。另外，中國專利CN201510770122.3公開了一種基于地理空間約束的稀疏天線陣列的優化布陣方法[3]，控制了最小間距，但同樣也沒有實現超寬帶性能，其柵瓣/副瓣區域峰值電平也較高。

稀疏陣列設計方法提供了實現期望副瓣電平的可能性，但更多是在窄帶范圍內布局，對副瓣及柵瓣電平的抑制也較弱。在[8]中，均勻激勵的陣元隨機分布在指定的孔徑上，該方法不能保證陣元有足夠的間距或者嚴格滿足旁瓣電平的要求。在[9]中研究了在有限帶寬上使用多個給定方向圖的小陣列來合成所需的陣列以及方向圖。后來，基于分形概念已經設計出多頻帶陣列以及對帶寬相當不敏感但旁瓣電平抑制能力有限的陣列配置[10-13]。還有一些陣列設計方法只能在窄帶或者有限掃描范圍內抑制副瓣電平和實現方向圖控制[14-17]。在[18]中使用了陣元數目相對較少(例如8或16個陣元)的掃描陣列，對陣元進行簡單擾動而得到優化。波束掃描可以被認為是增加帶寬；波束控制在可見區域操作陣因子，帶寬增加時陣因子被壓縮到可見區域；在窄帶陣列設計中，這兩個方法都可能導致柵瓣的出現[19,20]。

近年來，許多研究者開始嘗試在更寬的頻率范圍內合成無柵瓣/低副瓣寬帶陣列方向圖，許多全局優化方法得到較為廣泛的應用[21-24]，但是對于大型的陣列天線綜合而言，全局優化法計算量偏大，收斂速度較慢。超寬帶線性、平面和體積陣列設計通過將優化方法與陣列表示技術相結合，例如分形、非周期分割和其他數學結構，這些方法使得所設計陣列的方向圖在很寬的頻率范圍內擁有很低的峰值副瓣電平，而且得到陣元數目少、窄波束、大帶寬和相對低的成本的大孔徑稀疏陣列。目前已經成功地使用分形技術[25-27]和升冪級數[28]來設計有效的超寬帶稀疏線性陣列，這些方法對于設計包含從一百到幾千個元素的線性陣列布局最有用。分形技術引入連接因子來控制分形發生器“樹”在迭代構建過程中如何相互應用，分形“樹”末端(分支的尖端)的幾何形狀決定了陣列布局。這種設計優化技術已經被證明，對于設計中型到非常大尺寸的超寬帶陣列是非常有效的，甚至可以多達數千個元件。在[28]中基于升冪級數表示的陣列非常類似于分形結構，其中不斷重復地用優化的子陣列替換原陣列中的元素以生成更大的陣列，解決了均勻線陣在高頻段產生柵瓣的問題，在帶寬很寬的工作波段內柵瓣/副瓣區域的峰值電平基本保持不變。但是該方法得到的最小間距大于低頻半波長的101元或以下超寬帶陣列的峰值副瓣/柵瓣電平僅為-10db左右，無法滿足通常工程應用的需求。因此，在此基礎上進一步優化陣元位置分布以降低陣列峰值副瓣/柵瓣電平，則顯得尤為重要。

參考文獻：

[1]張志亞.寬帶天線及波束賦形陣列天線研究[D].西安電子科技大學,2012.

[2]陳立甲等.超寬帶天線:中國,201510560304.8[P].2015-12-23.