[发明专利]稀疏化削减球柱面阵列阵元规模的方法

说明书

本发明公开的一种稀疏化削减球柱面阵列阵元规模的方法，旨在提供一种能使稀疏后的阵列规模削减同时保持与满阵相当的电性能的方法。本发明通过下述技术方案实现：按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则进行阵列坐标系定义，采用稀疏优化算法设置初始参数，构造约束矩阵，生成初始群体，对子阵进行稀疏化，计算种群中每个曲面子阵个体的适应度函数，构成适应度最有优的稀疏化的基本子阵单元；将该稀疏化的基本子阵单元按照球柱面阵等面积区域中心排布规则，构建基于曲面子阵级稀疏的球柱面阵模型；最后增大球面直径得到拼接而成稀疏化球柱面天线阵列，并通过增大单元增益补偿天线阵列总的合成增益，获得与球柱面满阵相当的增益值和副瓣。

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及稀疏化削减球柱面阵列阵元规模的方法。

背景技术

目前通过对阵列天线中的不同天线单元激励不同幅度与相位的高频电流，可以实现电磁波最大辐射方向的空间扫描的相控阵天线。但由于平面相控阵因无法实现全空域的波束覆盖，不能满足全空域测控通信功能的需求，因此球面相控阵天线应运而生。球面相控阵天线最显著的一个优点是通过激活球柱面阵不同的区域可以实现全空域的波束覆盖。然而球面共形阵列受球面曲率影响，通常不再具有线阵和平面阵那样规则的形式，阵元之间的相对几何位置可能不再是均匀间隔的，甚至不能用一个统一的数学表达式来描述，这就为阵列天线的波束形成和波束控制(扫描)带来困难。如何在一个非规则的表面进行阵列单元的分布和排列，以及如何对共形阵进行波束形成，并且还实现对干扰的自适应干扰置零和波束赋形等功能，这些方面都远远比现有常用的平面阵的情况复杂得多。另外，为实现对多目标的高分辨率搜索、跟踪，需要采用较大口径的相控阵列，与之对应的是成千上万个天线单元和接收通道。首先，连接阵元的馈电网络、移相器、收发组件、放大器等占据了相控阵的大部分成本，相控阵的高成本成为制约相控阵发展的重要因素。其次，越多的阵元意味需要越多的馈电网络端口与之相连，无疑增加了馈电网络的插入损耗，这些损耗是导致系统增益和阵列效率下降的直接因素之一。再次，越多的阵元需要越多的收发组件、移相器等与之对应，即更多的重量会附加在相控阵系统中，使载体平台难以承受其重。另外，为覆盖足够的观测范围,天线波束需扫描或天线应具有同时多波束处理能力，这使得系统变得更为复杂。由于阵列天线及射频分系统占据了材料费和设计费用的大部分，约80％，占整个系统总报价的70％。且阵列天线及射频分系统的费用基本与阵元数N成正比例关系，这意味着阵元越少，整个相控阵的造价越低廉。经过粗略核算，若阵元数减少20％，总造价约降低11％；若阵元数减少30％，总造价约降低17％。因此，为实现球面共形阵的成本削减，研究其阵元削减技术显得格外有意义。因此成本削减的现实需求和设备量的限制，需要研究大规模阵元相控阵削减成本的方法。球柱面阵的设计比平面阵复杂得多，球面的性能不仅与单元数目有密切的联系，还与阵元排布形式、阵元间距、阵元增益、幅相激励、及阵元激活角等息息有关，这进一步增加了低成本高性能球柱面阵的设计难度。

一般的阵列天线具有相同的阵元间距，一般不超过半波长，当要求天线阵列具有很高的角度分辨率时，由于阵列的方向图主瓣宽度近似与其物理尺寸成正比，就必须加大阵列孔径，同时为了避免出现栅瓣，传统的采用等间隔布阵天线阵列就需要增加相当多的天线单元，这会使得天线系统的造价很高。现有技术针对有源相控阵，阵元的分布与口径直接影响天线的成本和天线的辐射性能，为实现高增益、低副瓣的天线性能，同时节省工程成本、节约天线单元数量、减少天线自重及体积等，逐渐展开了对稀疏阵列天线问题的研究。稀疏阵列天线技术是利用在空间稀疏设置天线阵元的阵列，通过采用稀疏阵列天线技术，可大幅度减少大尺寸阵列天线的收发单元数量。不过目前的研究还主要集中在如何进行一维和二维稀布阵列天线的设计以及静态波束性能等方面，尤其是针对平面阵列的设计和优化。针对共形阵列天线基础的圆形阵列和圆柱阵列天线，将共形阵列天线和稀布阵列天线的相关技术相结合起来，进行稀布和稀疏布阵综合方法及波束形成技术研究，主要包括以下几个方面：遗传算法和差分进化算法的算法流程及其应用范围；运用改进的遗传算法、差分进化算法和两者的结合对全向阵元和有向阵元的圆形阵列天线单元进行稀布。