[发明专利]最小间距可控的超宽带无栅瓣稀疏线阵设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及天线，尤其是涉及一种最小间距可控的超宽带无栅瓣稀疏线阵设计方法。

背景技术

随着电子技术的飞速发展和宽带通信设备的出现，天线的超宽带技术也在不断发展。超宽带天线可以实现宽带信号的瞬时接收，且可以为不同功能系统共享使用，在通信、导航、雷达中具有较为广泛的应用[1,2]。在不同应用下超宽带有不同的定义，本发明中对超宽带的定义指的是频域的带宽比值不小于3︰1。稀疏阵列是指阵元位置不再以半波长等间距均匀分布，而是按照某种规则进行不等间距分布，其具有波束窄、空间角分辨率高、能减弱阵元间互耦等特点，这些优点使得稀疏阵列天线颇具实用性，在雷达、声纳系统等中具有重要作用[3]。众所周知，按照传统方法设计等间隔超宽带阵列时，频率增大时电尺寸也会不断增大，最终导致在高频段时产生栅瓣问题[4,5]；而如果采用稀疏阵列布局技术，则可以在一定程度上降低栅瓣电平。由于实际工程中的单元天线总是具有一定的物理尺寸，因此稀疏阵列设计通常需满足最小间距的设计要求。

关于稀疏阵列的研究有很多，文献[6]中提出了一种基于凸优化实现阵列稀疏化的方法，两个优化目标分别是最大程度降低峰值副瓣电平和最大化稀疏度，相对于阵元数目相同的均匀线阵，该稀疏线阵具有更低的峰值副瓣电平和更窄的主瓣宽度，但该方法并未涉及到宽带的性能。中国专利CN201410419309.4公开了一种阵列天线辐射场和散射场综合低副瓣快速实现方法[7]，该专利先对均匀阵列优化得到初始稀疏排布方案，再计算和对比阵列天线的辐射场和散射场的最大副瓣电平，当同时满足低副瓣要求则得到优化结果，否则通过交叉和变异的方法更新阵列天线稀疏排布矩阵，该专利不足之处在于并未涉及到宽带性能，该阵列在超宽带频率范围工作时存在出现栅瓣的问题。另外，中国专利CN201510770122.3公开了一种基于地理空间约束的稀疏天线阵列的优化布阵方法[3]，控制了最小间距，但同样也没有实现超宽带性能，其栅瓣/副瓣区域峰值电平也较高。

稀疏阵列设计方法提供了实现期望副瓣电平的可能性，但更多是在窄带范围内布局，对副瓣及栅瓣电平的抑制也较弱。在[8]中，均匀激励的阵元随机分布在指定的孔径上，该方法不能保证阵元有足够的间距或者严格满足旁瓣电平的要求。在[9]中研究了在有限带宽上使用多个给定方向图的小阵列来合成所需的阵列以及方向图。后来，基于分形概念已经设计出多频带阵列以及对带宽相当不敏感但旁瓣电平抑制能力有限的阵列配置[10-13]。还有一些阵列设计方法只能在窄带或者有限扫描范围内抑制副瓣电平和实现方向图控制[14-17]。在[18]中使用了阵元数目相对较少(例如8或16个阵元)的扫描阵列，对阵元进行简单扰动而得到优化。波束扫描可以被认为是增加带宽；波束控制在可见区域操作阵因子，带宽增加时阵因子被压缩到可见区域；在窄带阵列设计中，这两个方法都可能导致栅瓣的出现[19,20]。

近年来，许多研究者开始尝试在更宽的频率范围内合成无栅瓣/低副瓣宽带阵列方向图，许多全局优化方法得到较为广泛的应用[21-24]，但是对于大型的阵列天线综合而言，全局优化法计算量偏大，收敛速度较慢。超宽带线性、平面和体积阵列设计通过将优化方法与阵列表示技术相结合，例如分形、非周期分割和其他数学结构，这些方法使得所设计阵列的方向图在很宽的频率范围内拥有很低的峰值副瓣电平，而且得到阵元数目少、窄波束、大带宽和相对低的成本的大孔径稀疏阵列。目前已经成功地使用分形技术[25-27]和升幂级数[28]来设计有效的超宽带稀疏线性阵列，这些方法对于设计包含从一百到几千个元素的线性阵列布局最有用。分形技术引入连接因子来控制分形发生器“树”在迭代构建过程中如何相互应用，分形“树”末端(分支的尖端)的几何形状决定了阵列布局。这种设计优化技术已经被证明，对于设计中型到非常大尺寸的超宽带阵列是非常有效的，甚至可以多达数千个元件。在[28]中基于升幂级数表示的阵列非常类似于分形结构，其中不断重复地用优化的子阵列替换原阵列中的元素以生成更大的阵列，解决了均匀线阵在高频段产生栅瓣的问题，在带宽很宽的工作波段内栅瓣/副瓣区域的峰值电平基本保持不变。但是该方法得到的最小间距大于低频半波长的101元或以下超宽带阵列的峰值副瓣/栅瓣电平仅为-10db左右，无法满足通常工程应用的需求。因此，在此基础上进一步优化阵元位置分布以降低阵列峰值副瓣/栅瓣电平，则显得尤为重要。

参考文献：

[1]张志亚.宽带天线及波束赋形阵列天线研究[D].西安电子科技大学,2012.

[2]陈立甲等.超宽带天线:中国,201510560304.8[P].2015-12-23.