[发明专利]余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线优化设计方法

说明书

本发明公开了一种余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线优化设计方法，主要解决现有天线余割平方波瓣不能测角和笔形波瓣低仰角比幅测角精度不高的问题。其实现步骤是：确定阵列天线几何构型以及水平方向阵元间距和俯仰方向阵元间距，阵列天线几何构型选用矩形单元栅格；确定天线口径和方位、俯仰阵元数；选择天线阵元类型，设计天线阵元的波瓣；设计余割平方波瓣和相位约束条件下的波束，采用全局优化概率搜索算法对阵列天线构造和优化设计问题求解；根据阵元激励幅度和相位，设计馈电网络；天线阵元与馈电网络集成，优化馈电网络的各端口相位，对阵列波束方向图进行微调，满足合成波束余割平方波瓣和合成相位的要求。

技术领域

本发明涉及一种余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线优化设计方法，属于阵列信号处理的技术领域。

背景技术

三座标雷达测量目标的角度通常采用笔形波束，进行比幅或单脉冲测角。采用笔形波束的天线，方位波束宽度与俯仰波束宽度的乘积越小，天线增益越高，探测目标的距离越远，但波束所覆盖的立体角范围也越小。在方位波束宽度一定的情况下，导致覆盖全部俯仰角空域的波束个数增加，搜索空域的数据率下降。对空目标搜索雷达，为了使同一高度不同距离的目标检测具有相同的检测概率，常设计余割平方波瓣，即天线增益式中，K为常数，为俯仰方向角度，实现大空域覆盖和高的搜索数据率。

近年来，低空目标的跟踪和引导指示成为国内外十分关注的问题，其关键为低仰角测高技术。目前低仰角测高采用笔形波束双波束比幅测角法。在信噪比12dB时，能够达到的测角精度约为波束宽度的十分之一，需要两个照射在0°仰角以上且偏开固定角度的笔形波束。多个笔形波束扫描覆盖仰角探测空域，完成不同高度目标的测高，搜索空域的数据率受到仰角波束宽度及仰角覆盖范围的限制。余割平方波瓣可以一次扫描覆盖全部仰角范围，但没有比幅测角和单脉冲测角的能力。设计合成相位随仰角线性变化的余割平方波瓣，利用余割平方波瓣的相位信息，指示目标的高度，能够兼顾仰角覆盖和仰角测角的要求。采用2个或3个具有不同相位特性的余割平方波瓣，通过信号处理提取2个或3个余割平方波瓣输出的相位，可高精度测量目标的仰角。

余割平方波瓣是通过天线赋形实现的。阵列天线各个阵元通过选取合适的激励幅度、相位和阵元位置，综合出余割平方波束，其关键在于馈电网络的设计。当天线阵元位置固定，选择阵元激励幅度和相位是实现余割平方波瓣的关键。在天线波瓣综合领域，现代智能优化算法，如粒子群算法、遗传算法和模拟退火算法等，相对传统算法，如傅立叶变换、劳森伍德沃兹综合等算法，有无可比拟的优越性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线优化设计方法，其核心技术在于利用现代智能优化算法(全局优化概率搜索算法)优化阵列天线阵元激励幅度和相位，实现合成相位约束下的余割平方波瓣阵列天线，解决了余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线设计问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种余割平方和合成相位双约束波瓣阵列天线优化设计方法，包括如下具体步骤：

步骤1、根据方位、俯仰空域覆盖，确定阵列天线几何构型以及水平方向阵元间距和俯仰方向阵元间距；

步骤2、根据天线增益、方位波束宽度、俯仰波瓣余割平方的要求，确定天线口径和方位、俯仰阵元数；

步骤3、选择天线阵元类型，设计天线阵元的波瓣，在雷达工作频段内，满足低电压驻波比的要求，即阻抗匹配，天线阵元方向图记为其中θ表示方位向角度，表示俯仰向角度；

步骤4、设计余割平方波瓣和合成相位约束条件下的波束，采用全局优化概率搜索算法对阵列天线的构造和优化设计问题求解，具体为：

(4.1)根据天线增益、方位波束宽度、俯仰余割平方波瓣的要求，确定阵列天线期望的赋形波束，以最小均方误差准则构造阵列天线设计的优化问题为：