[發明專利]稀疏化削減球柱面陣列陣元規模的方法

有效

• 申請號: 202010481110.X
• 申請日: 2020-05-31
• 公開（公告）號: CN111680414B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 楊龍;劉田;張志亞;周文濤;謝偉
• 申請（專利權）人: 西南電子技術研究所(中國電子科技集團公司第十研究所)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H01Q21/06
• 代理公司: 成飛(集團)公司專利中心 51121
• 代理人: 郭純武

本發明公開的一種稀疏化削減球柱面陣列陣元規模的方法，旨在提供一種能使稀疏后的陣列規模削減同時保持與滿陣相當的電性能的方法。本發明通過下述技術方案實現：按照天線子陣內天線單元半波長均勻排布的規則進行陣列坐標系定義，采用稀疏優化算法設置初始參數，構造約束矩陣，生成初始群體，對子陣進行稀疏化，計算種群中每個曲面子陣個體的適應度函數，構成適應度最有優的稀疏化的基本子陣單元；將該稀疏化的基本子陣單元按照球柱面陣等面積區域中心排布規則，構建基于曲面子陣級稀疏的球柱面陣模型；最后增大球面直徑得到拼接而成稀疏化球柱面天線陣列，并通過增大單元增益補償天線陣列總的合成增益，獲得與球柱面滿陣相當的增益值和副瓣。

技術領域

本發明屬于天線技術領域，具體涉及稀疏化削減球柱面陣列陣元規模的方法。

背景技術

目前通過對陣列天線中的不同天線單元激勵不同幅度與相位的高頻電流，可以實現電磁波最大輻射方向的空間掃描的相控陣天線。但由于平面相控陣因無法實現全空域的波束覆蓋，不能滿足全空域測控通信功能的需求，因此球面相控陣天線應運而生。球面相控陣天線最顯著的一個優點是通過激活球柱面陣不同的區域可以實現全空域的波束覆蓋。然而球面共形陣列受球面曲率影響，通常不再具有線陣和平面陣那樣規則的形式，陣元之間的相對幾何位置可能不再是均勻間隔的，甚至不能用一個統一的數學表達式來描述，這就為陣列天線的波束形成和波束控制(掃描)帶來困難。如何在一個非規則的表面進行陣列單元的分布和排列，以及如何對共形陣進行波束形成，并且還實現對干擾的自適應干擾置零和波束賦形等功能，這些方面都遠遠比現有常用的平面陣的情況復雜得多。另外，為實現對多目標的高分辨率搜索、跟蹤，需要采用較大口徑的相控陣列，與之對應的是成千上萬個天線單元和接收通道。首先，連接陣元的饋電網絡、移相器、收發組件、放大器等占據了相控陣的大部分成本，相控陣的高成本成為制約相控陣發展的重要因素。其次，越多的陣元意味需要越多的饋電網絡端口與之相連，無疑增加了饋電網絡的插入損耗，這些損耗是導致系統增益和陣列效率下降的直接因素之一。再次，越多的陣元需要越多的收發組件、移相器等與之對應，即更多的重量會附加在相控陣系統中，使載體平臺難以承受其重。另外，為覆蓋足夠的觀測范圍,天線波束需掃描或天線應具有同時多波束處理能力，這使得系統變得更為復雜。由于陣列天線及射頻分系統占據了材料費和設計費用的大部分，約80％，占整個系統總報價的70％。且陣列天線及射頻分系統的費用基本與陣元數N成正比例關系，這意味著陣元越少，整個相控陣的造價越低廉。經過粗略核算，若陣元數減少20％，總造價約降低11％；若陣元數減少30％，總造價約降低17％。因此，為實現球面共形陣的成本削減，研究其陣元削減技術顯得格外有意義。因此成本削減的現實需求和設備量的限制，需要研究大規模陣元相控陣削減成本的方法。球柱面陣的設計比平面陣復雜得多，球面的性能不僅與單元數目有密切的聯系，還與陣元排布形式、陣元間距、陣元增益、幅相激勵、及陣元激活角等息息有關，這進一步增加了低成本高性能球柱面陣的設計難度。

一般的陣列天線具有相同的陣元間距，一般不超過半波長，當要求天線陣列具有很高的角度分辨率時，由于陣列的方向圖主瓣寬度近似與其物理尺寸成正比，就必須加大陣列孔徑，同時為了避免出現柵瓣，傳統的采用等間隔布陣天線陣列就需要增加相當多的天線單元，這會使得天線系統的造價很高。現有技術針對有源相控陣，陣元的分布與口徑直接影響天線的成本和天線的輻射性能，為實現高增益、低副瓣的天線性能，同時節省工程成本、節約天線單元數量、減少天線自重及體積等，逐漸展開了對稀疏陣列天線問題的研究。稀疏陣列天線技術是利用在空間稀疏設置天線陣元的陣列，通過采用稀疏陣列天線技術，可大幅度減少大尺寸陣列天線的收發單元數量。不過目前的研究還主要集中在如何進行一維和二維稀布陣列天線的設計以及靜態波束性能等方面，尤其是針對平面陣列的設計和優化。針對共形陣列天線基礎的圓形陣列和圓柱陣列天線，將共形陣列天線和稀布陣列天線的相關技術相結合起來，進行稀布和稀疏布陣綜合方法及波束形成技術研究，主要包括以下幾個方面：遺傳算法和差分進化算法的算法流程及其應用范圍；運用改進的遺傳算法、差分進化算法和兩者的結合對全向陣元和有向陣元的圓形陣列天線單元進行稀布。