[发明专利]一种步进补偿低成本相控阵天线架构及其设计方法

权利要求书

1.一种步进补偿低成本相控阵天线架构，其特征在于，包括n个天线子阵(1)、n个收发组件(2)、功分合成网络(5)；每个所述的天线子阵(1)均包括一个波束步进偏移器(4)和m个基本辐射单元(3)，每个所述的波束步进偏移器(4)均包括m个输出端，n个所述的波束步进偏移器(4)的输入端与n个所述的收发组件(2)的输出端连接，所述的波束步进偏移器(4)的m个输出端分别与m个基本辐射单元(3)的输入端连接，n个所述的收发组件(2)的输入端分别与功分合成网络(5)的对应的输出端连接；

n个所述的天线子阵(1)等间距均匀排布，相邻的所述的天线子阵(1)的间距远大于λ；同一个天线子阵(1)内的m个基本辐射单元(3)等间距均匀排布，同一个天线子阵(1)内的相邻的基本辐射单元(3)间距不超过λ，λ为工作频率下电磁波在自由空间传播的波长；

所述的收发组件(2)包含高位移相器，所述的高位移相器为天线空域扫描提供所需要的波束移相值；在实际应用中，预先利用公式计算每一个收发组件(2)的波束移相值，其中，β_i为所需要的波束移相值，λ为工作频率下电磁波在自由空间传播的波长，θ₀为天线波束最大指向，d为天线子阵(1)之间的间距，i＝1,2,3,4…；所述的波束步进偏移器(4)为离散偏移波束形成装置，通过电子控制器实现子阵级单元波束指向步进偏移；

所述的波束步进偏移器(4)的设计方法如下：

a)根据应用场景确定所需要的天线扫描的最大角度θ_smax；

b)初始化步进波束的个数M＝3；

c)计算波束步进偏移初始值Ω；Ω的计算公式为：

d)计算初始值下的扫描性能，当扫描角时，栅瓣最大，计算此时的方向图

e)判断初始态天线的扫描性能是否能满足方向图在要求的任意扫描角，主瓣比栅瓣高13dB的限制条件，如果不能，则将步进波束的个数M的值加2，重复步骤c)和步骤d)，直到天线扫描性能满足要求为止；

f)得到最终的步进波束的个数M和波束偏离步进值Ω；

所述的应用场景为星间通讯时，所述的天线扫描的最大角度θ_smax约束为子阵级相控阵大间距扫描时的极限扫描角度，θ_smax的计算公式为：

其中，λ为工作频率下电磁波在自由空间传播的波长，d为相邻天线子阵(1)之间的间距；

所述的应用场景为星地通讯时，所述的天线扫描的最大角度θ_smax＝8.5°，因此，所述波束步进偏移器(4)预设的波束偏离步进值Ω应满足0°≤Ω≤8.5°；所述的步进波束的个数M为5个，此时，根据公式(1)可得，波束偏离步进值Ω＝3.4°。

2.根据权利要求1所述的一种步进补偿低成本相控阵天线架构，其特征在于，当所述的相邻天线子阵(1)之间的间距d＝4λ时，θ_smax＝7.2°，因此，所述波束步进偏移器4预设的波束偏离步进值Ω应满足0°≤Ω≤7.2°；所述的步进波束的个数M为3个，此时，根据公式(1)可得，波束偏离步进值Ω＝4.8°。

3.根据权利要求2所述的一种步进补偿低成本相控阵天线架构，其特征在于，根据所述的波束偏离步进值，确定波束步进偏移器(4)选择的波束档位的公式如下：

其中，Ω₀为所述波束步进偏移器(4)选择的波束档位，Ω₀∈(-4.8°、0°、4.8°)，θ₀为波束最大指向角。

4.根据权利要求1所述的一种步进补偿低成本相控阵天线架构，其特征在于，根据所述的波束偏离步进值，确定波束步进偏移器(4)选择的波束档位的公式如下：

其中，Ω₀为所述波束步进偏移器(4)选择的波束档位，Ω₀∈(-6.8°、-3.4°、0°、3.4°、6.8°)，θ₀为波束最大指向角。