[發(fā)明專利]一種基于子陣排列的相控陣天線及其系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011026546.6
• 申請(qǐng)日: 2020-09-25
• 公開（公告）號(hào): CN112134032A
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魯國(guó)林;羅超鳴;劉金利
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶兩江衛(wèi)星移動(dòng)通信有限公司
• 主分類號(hào): H01Q21/06
• 分類號(hào): H01Q21/06
• 代理公司: 成都行之專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51220
• 代理人: 高俊

本發(fā)明公開了一種基于子陣排列的相控陣天線，包括多個(gè)子陣單元，所述子陣單元錯(cuò)位排列，所述子陣單元錯(cuò)位排列構(gòu)建的相控陣天線結(jié)構(gòu)為同時(shí)滿足中心對(duì)稱以及軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)；所述中心對(duì)稱的對(duì)稱中心為所述軸對(duì)稱的對(duì)稱軸形成的坐標(biāo)系的原點(diǎn)。在保證相控陣天線性能的前提下，降低相控陣天線的成本，當(dāng)掃描角度的范圍在20°以內(nèi)時(shí)，本發(fā)明減少50％的射頻通道，性能與傳統(tǒng)相控陣相當(dāng)，因此可以節(jié)約50％的成本和功耗；當(dāng)掃描角度為60°時(shí)，本發(fā)明在不犧牲性能的情況下可以節(jié)約29.7％的成本和功耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及天線領(lǐng)域，具體涉及一種基于子陣排列的相控陣天線及其系統(tǒng)。

背景技術(shù)

相控陣的概念源于1889年，但是直到1906年簡(jiǎn)單的二源陣才試驗(yàn)成功，20世紀(jì)20年代出現(xiàn)了短波無線電設(shè)備，第二次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)了低頻的天線陣列，到了20世紀(jì)60年代相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)獲得了很大的發(fā)展和應(yīng)用，當(dāng)時(shí)主要用于探測(cè)空間目標(biāo)。如今相控陣天線已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)相控陣天線的工作要求不同，比如5G高頻基站要求相控陣水平實(shí)現(xiàn)±60°、俯仰±15°的覆蓋范圍，而衛(wèi)星載荷的相控陣天線要求具有圓形的覆蓋范圍，即各個(gè)方向上的掃描能力相當(dāng)。

相控陣天線具有波束指向、波束形狀快速變化的能力，并且易于形成多個(gè)波束，可以在空間形成信號(hào)的功率合成。正是因?yàn)橐陨咸攸c(diǎn)，相控陣天線被廣泛應(yīng)用于軍事、航空和無線通信等領(lǐng)域。雖然相控陣天線有諸多優(yōu)勢(shì)，但是它的每一個(gè)輻射單元都需要連接一個(gè)用于增益提升、相位調(diào)節(jié)的射頻通道，這大大增加了它的制作成本，顯著提高了對(duì)其使用的門檻。

為了降低傳統(tǒng)相控陣的成本，近年來大量的研究者利用稀疏陣、稀布陣基于優(yōu)化算法，致力于在相同的天線口徑下減少陣列的輻射單元，從而減少射頻通道數(shù)，以此來降低相控陣天線的成本。但是利用優(yōu)化算法得到的陣列單元位置是隨機(jī)的，并且由于注銷了一些貢獻(xiàn)不大的輻射單元，使得稀疏陣中一些輻射單元的距離變大，這可能使得相控陣天線的副瓣電平升高，甚至?xí)霈F(xiàn)柵瓣，從而極大的影響陣列的性能。此外，稀疏陣、稀布陣對(duì)天線的稀疏處理，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)天線單元的輻射邊界條件不一致，造成所提取的單元方向圖不具備普適性，從而影響陣列方向圖的綜合精度。

另一方面，讓相控陣中鄰近的輻射單元組成子陣共用一個(gè)射頻通道，同樣能夠有效的減少射頻通道的數(shù)量，從而降低相控陣的成本。通常這些子陣的形狀為規(guī)則的矩形，這就導(dǎo)致了子陣相位中心之間的距離過大，其距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于半個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)，可能超過一個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)甚至達(dá)到幾個(gè)介質(zhì)波長(zhǎng)。如此一來會(huì)使得陣列出現(xiàn)柵瓣從而極大的降低相控陣的性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是在保證相控陣天線性能的前提下，降低相控陣天線的成本，提出了一種基于子陣排列的相控陣天線。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于子陣排列的相控陣天線，包括多個(gè)子陣單元，所述子陣單元錯(cuò)位排列，所述子陣單元錯(cuò)位排列構(gòu)建的相控陣天線結(jié)構(gòu)為同時(shí)滿足中心對(duì)稱以及軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)；所述中心對(duì)稱的對(duì)稱中心為所述軸對(duì)稱的對(duì)稱軸形成的坐標(biāo)系的原點(diǎn)。

本方案中，相控陣天線包括多個(gè)子陣單元，所述子陣單元錯(cuò)位排列構(gòu)成了相控陣天線結(jié)構(gòu)，所述相控陣天線結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足中心對(duì)稱以及軸對(duì)稱；所述中心對(duì)稱的對(duì)稱中心為所述軸對(duì)稱的對(duì)稱軸形成的坐標(biāo)系的原點(diǎn)，即相控陣天線結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱圖形，且相控陣天線以該對(duì)稱中心作為原點(diǎn)形成的兩個(gè)坐標(biāo)軸，分別成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。所述子陣單元包括至少兩個(gè)天線單元，所述子陣單元由1個(gè)射頻通道驅(qū)動(dòng)，有效的減少了射頻通道的數(shù)量，極大的降低了相控陣天線的成本和功耗。子陣單元的交錯(cuò)排布不僅有效的抑制了柵瓣還保證了相控陣天線的掃描能力，且相控陣天線的對(duì)稱性保證相控陣天線實(shí)現(xiàn)圓形區(qū)域覆蓋，因此本發(fā)明特別適合用于衛(wèi)星通信和地面移動(dòng)通信等，但不僅僅只局限于這兩種類型的應(yīng)用。

優(yōu)選的，所述相鄰天線單元間的距離相等，范圍為0.45-0.7個(gè)波長(zhǎng)，通過控制天線單元的距離，避免子陣間的距離過大，有效的降低柵瓣出現(xiàn)的概率，提高相控陣天線性能。