[發(fā)明專利]基于移動旋轉(zhuǎn)參考系仿真計算電掃陣列天線相位中心方法

有效

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• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113239524B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 章傳芳;賈健聰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H01Q3/00;H01Q3/34;H01Q21/00;G06F111/10
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 李微微

本發(fā)明提出了一種基于移動旋轉(zhuǎn)參考系法的電掃陣列天線相位中心仿真評估方法，建立了掃描參考坐標系，能保證客觀全面的反映波束遠場主瓣內(nèi)電場的幅度和相位分布，無論波束如何掃描變化，都能保證完整獲得主瓣內(nèi)E面和H面的遠場數(shù)據(jù)，便于確定任意實際掃描角度下天線的相位中心；首次提出相心位移參考坐標系，跳出了傳統(tǒng)固定的全局參考坐標系的桎梏；其意義在于結(jié)合電掃陣列天線波束旋轉(zhuǎn)的特性，相心位移坐標系隨波束指向旋轉(zhuǎn)，將相位中心的水平坐標分解為垂直于波束指向的方位角的軸向X’和重合于方位角的軸向Y’，降低了非特殊方位角下相位中心坐標的復(fù)雜程度，使得到的相心數(shù)據(jù)更加直觀，便于后期相位中心數(shù)學模型的建立和計算。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航通信和陣列天線技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于移動旋轉(zhuǎn)參考系仿真計算電掃陣列天線相位中心方法。

背景技術(shù)

隨著GNSS接收機硬件技術(shù)和軟件算法的不斷提高，使用載波相位觀測值獲得厘米級甚至亞厘米級的定位精度成為現(xiàn)實。GNSS載波相位觀測值是以天線相位中心為測量點獲得的。由于天線本身的特性，天線相位中心一般與ARP存在偏差，即天線相位偏差，直接影響定位結(jié)果中的高程分量。隨著導(dǎo)航系統(tǒng)對抗干擾需求的增加，具有抗干擾能力的陣列天線正在日漸成為主流，而為了提高載波相位觀測的精度，有必要對陣列天線的相位中心進行計算。目前文獻和專利均以等幅同相激勵的天線陣為研究對象，其獲得的相位中心都是固定的。但實際上，陣列天線在電掃描過程中，各端口的激勵都是會變化的，陣列的遠場輻射方向圖(包括幅度和相位)一定會產(chǎn)生變化，相位中心也隨之變化。因此，對陣列天線電掃描過程中的相位中心變化情況進行研究并進行建模計算是很有必要的。

對于天線相位中心的研究，一般采用實物天線校準或模擬仿真解算兩種思路。對實物天線，一般采用的校準方式主要有短基線校準法、微波暗室校準法、絕對相位中心校準法三種。但都是針對于單個導(dǎo)航天線進測試，很少對波束可變的陣列天線進行研究。即使對陣列天線采用實物校準，受限于實際陣列天線系統(tǒng)本身特點而引起的幅相不匹配問題，使得通過測試獲得待測天線的相位中心的方法實施難度很大，無法準確反應(yīng)天線陣列自身的相心變化規(guī)律。因此，使用實物天線校準的方法研究陣列天線的相位中心就目前的測試技術(shù)與方法來看效果不佳。

模擬仿真解算中關(guān)于陣列天線的相位中心研究大多采用電磁仿真軟件建模分析和MATLAB數(shù)值建模分析。電磁仿真軟件建模分析一般采用如參考文獻([1]宋世明.相控陣天線的相位中心標記方法研究[D].四川:電子科技大學,2013.DOI:10.7666/d.D770012.)中周期邊界條件將單個陣元擴展組陣，將獲得的遠場數(shù)據(jù)代入最小二乘法等算法中計算相位中心。該方法一般只適用于絕大多數(shù)陣元邊界條件相同的大規(guī)模天線陣列，而導(dǎo)航陣列天線每一個陣元的邊界條件區(qū)別很大，陣元間耦合、邊緣條件等因素也不盡相同，因此無法適用。MATLAB數(shù)值建模分析如參考文獻(陳曦,傅光,龔書喜,等.陣列天線相位中心的計算與分析[J].電波科學學報,2010,25(2):330-335.)一般在完全理想的狀態(tài)下代入陣元輻射模型和陣列模型(即不考慮耦合、邊際條件等)計算合成遠場幅相方向圖數(shù)據(jù)，根據(jù)相心算法進行解算。其最大的缺陷是脫離了天線陣元特性，只能以簡單的數(shù)學模型下進行解算，忽略了陣元實際受到的互耦和邊緣效應(yīng)帶來的幅相誤差。鑒于相位曲線對幅相誤差極其敏感，因此該方法上進行相心校準對提升導(dǎo)航精度的作用有限。因此，有必要結(jié)合實際天線陣列形式來仿真研究陣列天線掃描過程中的相位變化。此外，先前的相位中心仿真測量方法均是以單一絕對坐標系來描述坐標的，獲得的坐標數(shù)據(jù)通常雜亂無章且難以處理和歸納。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種基于移動旋轉(zhuǎn)參考系仿真計算電掃陣列天線相位中心方法，在提高相心位置精度的同時更加方便記錄和模擬計算。

一種計算電掃陣列天線相位中心的方法，包括如下步驟：

步驟1、將天線陣列在電磁仿真軟件中進行完整建模；在電磁仿真軟件中控制陣列激勵獲得波束掃描的遠場方向圖數(shù)據(jù)；

步驟2、建立特定坐標系：