[发明专利]基于幅相调控的超宽带强耦合天线阵边缘效应抑制方法

说明书

本发明公开了一种基于幅相调控的超宽带强耦合天线阵边缘效应抑制方法。该方法首先通过全波仿真得到超宽带强耦合天线阵端口散射参数和有源单元增益方向图；然后计算出工作频带内全孔径阵元有源反射系数和阵列可实现增益，并建立以最大化工作频带内阵列可实现增益为优化目标，以全孔径单元有源反射系数满足小于给定数值为约束条件的优化问题；最后通过迭代的方式把该问题转化为迭代凸优化问题，并使用凸优化算法求解出阵元的幅度和相位激励。该方法充分利用了影响有限大阵边缘效应的幅相激励这一组设计自由度，在天线结构确定之后，通过后端算法优化实现阵列边缘效应的有效抑制，为超宽带强耦合有限大天线阵边缘效应抑制提供了有效的解决方案。

技术领域

本发明属于超宽带相控阵天线领域，涉及到全孔径超宽带强耦合天线阵边缘效应的抑制方法。具体是指通过精心设计超宽带强耦合天线阵单元馈电幅度和相位，在满足全孔径超宽带有源驻波要求的条件下，同时实现全孔径超宽带天线阵可实现增益的最大化，抑制边缘效应对有源驻波和增益方向图的恶化。

背景技术

多功能一体化是未来无线电子系统的发展趋势，这就要求系统中的相控阵天线具备超宽带、超宽角、低剖面、高增益、以及易共形等工作性能。传统相控阵天线主要包括微带相控阵天线、缝隙相控阵天线、以及Vivaldi相控阵天线，前面两种带宽较窄，难以适用于多功能一体化无线电子系统。后面一种虽然具有超宽带特性，但是其剖面极高，难以与载体平台进行共形化设计。强耦合天线阵由于同时具有超宽带和低剖面工作特性，是目前宽带相控阵天线的研究热点和前沿技术。

强耦合天线阵的超宽带特性从根本上讲是通过故意增强单元之间的电容耦合而获得的，从物理结构上看即缩小单元尺寸和单元间距。将单元之间产生的较强的电容耦合与反射地板带来的电感效应进行中和，实现端口有源阻抗特性随频率缓慢变化的特征，因而通过简单设计天线结构尺寸和匹配馈电巴伦就能实现宽带甚至超宽带的匹配特性。另一方面，强耦合天线阵通常的设计方法是先设计无限大周期环境下超宽带天线单元，然后按照此单元和设定的单元间距进行有限大阵组阵设计。由于强耦合天线阵单元的宽带特性需要充分利用周围其他单元提供的耦合进行维持。因此，对于有限大阵列来讲，除中间部分单元具有与无限大周期环境下单元相类似的匹配性能和有源驻波特性之外，其他部分单元，特别是最外围一圈天线单元不再具备无限大周期单元所处的阵列环境，强烈的边缘截断效应必然会导致该部分天线单元有源驻波在某些频段内出现严重恶化。此外，边缘截断效应导致表面波向阵列中心反射，还会导致中心部分单元有源驻波出现不同程度的恶化，从而导致天线阵全孔径超宽带匹配特性恶化，馈入的能量直接在端口处出现大量反射，使得阵列可实现增益出现下降，减小了阵列的口径效率。

为了减缓有限大强耦合天线阵边缘效应对阵列辐射性能的影响，研究者们提出了多种设计方法。在专利号为CN105846081的发明专利中，发明人设计了一款双极化一维强耦合超宽带宽角扫描相控阵天线，为了尽可能模拟单元所处的周期环境，非组阵方向的两个单元通过威尔金森功分器组成一个天线单元，垂直极化的边沿单元向地板垂直延伸并与地板电连接，引导表面波不会直接向阵列中心反射，一定程度上改善了阵列边缘效应。但这种设计方法仅能改善部分单元在部分频点的阻抗匹配性能，难以实现超宽带全孔径单元的良好阻抗匹配。在专利号为CN112216980的发明专利中，发明人设计了一款全孔径1×8单元全孔径强耦合天线阵。阵列两边缘端口的偶极子采用延长型偶极子单元，降低了该阵列在低频段的有源驻波。同时，在阵列的边缘加入了垂直金属壁取代了传统的接匹配电阻的哑元，且又作为宽角阻抗匹配层的支撑，该天线在1GHz～4GHz的工作频段范围内且不扫描时(法向辐射)，全端口单元有源驻波基本都小于3，实现了良好的匹配和边缘效应抑制效果。但是，该方法适用的带宽相对较窄，且对于天线阵扫描情形，端口有源驻波会出现不同程度恶化。仔细分析可以发现，上述改善边缘效应的方法都是基于天线阵结构的变化及相应参数的优化而开展的。实际上，根据多端口微波网络理论，端口的匹配性能是由端口无源散射参数和端口激励共同确定的。上述改变阵列结构的方法正是从改善端口无源散射参数这一设计自由度的角度进行的。由于强耦合天线本身结构较为复杂，且要求的工作带宽较宽。因此，该设计自由度越来越难满足系统对超宽带全孔径阵列单元阻抗匹配和增益性能的要求，边缘效应抑制效果较为有限。