阅读说明：本技术 载车平台异形曲面共形阵天线设计方法 (Method for designing vehicle-carrying platform special-shaped curved surface conformal array antenna ) 是由 杨龙 周文涛 刘田 仇三山 曾富华 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开的一种载车平台异形曲面共形阵天线设计方法,旨在提供一种可显著降低阵列高度,能够实现车载平台下全空域测控通信的天线设计方法。本发明通过下述技术方案实现：根据抛物球柱面异形曲面阵列流型,建立xyz三维直角坐标系,将异形曲面共形阵列流型分为抛物面部分、部分球面部分和柱面部分,抛物面下部采用圆弧过渡连接柱面,得到抛物球柱面构成的异形曲面阵列流型；在异形曲面阵列流型的基础上,按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则构建天线子阵,建立基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列；然后以曲面子阵作为基本单元,将天线子阵排布到异形曲面共形阵上,按照等面积区域中心排布规则,得到基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列。(The invention discloses a method for designing a vehicle-mounted platform special-shaped curved surface conformal array antenna, and aims to provide an antenna design method which can obviously reduce the array height and can realize full airspace measurement and control communication under a vehicle-mounted platform. The invention is realized by the following technical scheme: establishing an xyz three-dimensional rectangular coordinate system according to the flow pattern of the parabolic cylinder special-shaped curved surface array, dividing the special-shaped curved surface conformal array flow pattern into a paraboloid part, a partial spherical part and a cylindrical part, and connecting the cylindrical part with the lower part of the paraboloid by adopting circular arc transition to obtain the special-shaped curved surface array flow pattern formed by the parabolic cylinder; on the basis of the special-shaped curved surface array flow pattern, an antenna sub-array is constructed according to the rule that the half-wavelength of antenna units in the antenna sub-array is uniformly distributed, and a special-shaped curved surface antenna array based on a curved surface sub-array level is established; and then, taking the curved surface subarrays as basic units, arranging the antenna subarrays on the special-shaped curved surface conformal array, and obtaining the special-shaped curved surface antenna array based on the curved surface subarray level according to the arrangement rule of the centers of the equal-area areas.)

载车平台异形曲面共形阵天线设计方法

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种应用于空间受限的车载平台的全空域异形曲面共形阵列天线布阵方法。

背景技术

随着我国航空航天事业的发展，在空间、临近空间、空中的飞行器数目越来越多，全空域多目标测控成为航天测控领域的一个突出问题。不论是采用基于地基的多目标测控系统，还是天基测控网系统，高效的天线系统都是保证对多目标实施有效测控管理的关键子系统。典型的地面站需要一个或者多个高性能的天线系统，能够在全空域范围内对测控目标保持持续的跟踪、测量与控制。平面相控阵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，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，因此满足全空域波束覆盖的相控阵天线应运而生。目前满足全空域覆盖的阵列天线主要有种结构形态:多面阵、曲面或共形阵以及透镜阵天线。多面阵天线都能够使波束最大增益方向指向期望目标，且在干扰方向形成零陷；只是由于遮挡效应的影响，使波束入射角变化下遮挡效应对天线方向图造成恶化。多面阵天线波束形成受遮挡效应影响不可忽视，准确判断遮挡效应，才能在多面阵天线的研制与优化中更能接近实际应用。透镜阵天线可以通过透镜来实现波束的扫描，可以大大简化系统结构，但是透镜阵的设计异常复杂，且由于介质的使用会带来较大的损耗，阵列性能损失较大。球面阵在全空域内具有均匀波束增益以及低极化和低失配损失，而且在工程实现上越来越成熟。球柱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，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，这必然对安装平台的安装空间提出了更高的要求。

近年来，地基测控天线的性能和形式有了新的突破和发展，但在车载平台下实现全空域覆盖、快速精确跟踪等方面尚显不足。在载车平台中，受运输条件限制(其中铁路运输条件最为苛刻，限高4.8m，限宽3.4m)，除去载车自身高度，载车有效利用空间是有限的(不超过2.2m)。如何设计一种共形阵列，在实现全空域波束覆盖的同时，满足载车运输要求已成为当前车载式全空域测控通信系统的一种迫切需求。目前地面站式全空域测控通信系统多采用球柱面、椭球面和截球面三种形式的共形阵。球柱面形式的共形阵性能优越，增益在各方向的波动最小，但是其高度较高，容易超出运输高度限制。截球面式共形阵高度最低，但是性能较差，天顶方向的增益下降较快。椭球面式共形阵在性能和高度上有一种均衡，但是仍然不满足设计要求。因此，目前还没有一种完善而成熟的共形阵能满足车载平台下的工程实现需求。在实现共形阵全空域扫描性能的同时，对其紧凑型阵列架构的研究还处于初步阶段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处，提供一种紧凑型，在保证性能的同时可显著降低阵列的高度，使其能应用于空间受限的车载平台，能够实现车载平台下全空域测控通信的载车平台异形曲面共形阵天线设计方法。

为实现上述目的，本发明一种载车平台异形曲面共形阵天线设计方法，其特征在于包括如下步骤：根据抛物球柱面异形曲面阵列流型，将异形曲面共形阵列流型分为抛物面部分、部分球面部分和柱面部分，在俯仰向每层的方位角φ＝0°建立xyz坐标系，构建抛物球柱面构成的异形曲面共形阵列，球面部顶部为抛物面部分，且为第一层，抛物面下部为采用圆弧过渡连接柱面的部分球面部分，且抛物面部分从上到下分为N_1θi层，球面部分从上部球面第一层到下部N_2θi层，柱面部分从上部柱面第一层到下部共N_3θi层，得到抛物球柱面构成的异形曲面阵列流型；在异形曲面阵列流型的基础上，按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则构建天线子阵，建立基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列；然后以曲面子阵作为基本单元，将天线子阵排布到异形曲面共形阵上，在构建的异形曲面阵列流型的基础上，按照等面积区域中心排布规则，得到基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列，其中，N_1θi，N_2θi，N_3θi为数学代号。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

(1)具备紧凑型结构，能可靠装备于车载平台。本发明按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则构建天线子阵，建立直角坐标系，以曲面子阵作为基本单元，在步骤1构建的异形曲面阵列流型的基础上，按照等面积区域中心排布规则得到基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列。保留传统球柱面阵列流型中的柱面部分，将球面部分划为抛物面和部分球面部分，其中顶部为抛物面部分，下部为部分球面部分，这样便得到抛物球柱面构成的异形曲面阵列流型。建立基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列，抛物球柱面阵列构型，将地面式全空域测控站的球面部分划分成抛物面和球面构成的异形曲面，在保证性能的同时可显著降低阵列的高度，使其能应用于空间受限的车载平台。相比与传统球面排布的阵列相比，能有效削减阵列的纵向尺寸，具备紧凑型的结构，能有效满足铁路和公路运输。阵列总高度可以是满足铁路运输条件的2013mm,，同时该阵列相比于传统球柱面阵列，其高度削减了10％。需要说明的是，高度的削减比例与上述抛物面和球面高度与阵列半径比例α有关系，α越大，整个阵列削减的比例越大。

(2)能使阵列保持较低的增益波动。本发明构建抛物球柱面异形曲面阵列流型，保留球柱面阵列流型中的柱面部分，将球面部分划分为抛物面和部分球面部分，其中顶部为抛物面部分，下部为部分球面部分，这样便得到抛物球柱面构成的异形曲面阵列流型；建立基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列，建立直角坐标系，按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则构建天线子阵，以曲面子阵作为基本单元，在构建的异形曲面阵列流型的基础上，按照等面积区域中心排布规则得到基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列。在保证性能的同时可显著降低阵列的高度，使其能应用于空间受限的车载平台。通过该设计，可以方便地根据实际载体平台空间要求，合理的调整阵列高度削减比例，同时可以保证新设计的异形曲面共形阵能实现全空域辐射且增益波动较小。采用抛物球柱面阵列构型，可以保证全空域的波束覆盖，同时保证波束从低仰角到高仰角扫描时与球柱面阵相当的增益波动，与传统截球面排布的阵列相比，具备更优异的性能。

本发明适用于全空域测控通信系统，适用于空间分辨率要求高、设备体积重量，约束条件多的全空域车载平台下的工作环境，可应用于基于车载台的全空域测控、通信等领域。

附图说明

图1是本发明载车平台异形曲面共形阵天线的主视图；

图2是图1俯视图；

图3是图1异形曲面共形阵列流型示意图；

图4是天线阵列布阵划分示意图；

图5异形曲面共形阵列增益随仰角变化曲线。

下面将结合本发明实施例中的附图和实例，对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1-图4。根据本发明，将异形曲面共形阵列流型分为抛物面部分、部分球面部分和柱面部分，在俯仰向每层的方位角φ＝0°建立xyz三维直角坐标系，构建抛物球柱面构成的异形曲面共形阵列，球面部顶部为抛物面部分，且为第一层，抛物面下部为采用圆弧过渡连接柱面的部分球面部分，且抛物面部分从上到下分为N_1θi层，球面部分从上部球面第一层到下部N_2θi层，柱面部分从上部柱面第一层到下部层，得到抛物球柱面构成的异形曲面阵列流型；在异形曲面阵列流型的基础上，按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则构建天线子阵，建立基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列；然后以曲面子阵作为基本单元，将天线子阵排布到异形曲面共形阵上，在构建的异形曲面阵列流型的基础上，按照等面积区域中心排布规则，得到基于曲面子阵级的异形曲面天线阵列，其中，N_1θi，N_2θi，N_3θi为数学代号。

具体处理步骤如下：

不失一般性，建立工作频率f＝1.9GHz-2.5GHz的异形曲面共形天线阵列的坐标系，并且将异形曲面共形天线阵列流型分为抛物面部分、部分球面部分和柱面部分三部分：按波长λ，柱面部分柱面高度为h2，h2＝7.2λ，抛物面部分高度为h0，h0＝0.75λ，部分球面部分高度h1，球面高度为h1＝6.8λ，球面高度削减比例α＝0.82，则h0+h1＝7.55λ＝α*r0。

抛物面部分为旋转抛物面，抛物面部分对应的母线由以下计算公式确定：

z＝-4py²+q,q＝α*r0

其中，z表示抛物面的母线沿Z轴方向坐标，p表示抛物线的焦点，y表示抛物面的母线沿Y轴方向坐标，α为球面高度削减比例，r0为球柱面半径。

部分球面部分为旋转球面，部分球面部分对应的母线由以下计算公式确定：

y²+z²＝r0²，z∈[0,h1]

其中，z表示球面的母线沿Z轴方向的坐标，y表示球面的母线沿Y轴方向的坐标，柱面部分为旋转柱面，其柱面部分对应的母线由以下计算公式确定：x＝r0,y∈[-r0,r0]，其中，x表示柱面的母线沿x轴方向的坐标。

参照图3，根据共形阵上坐标点a(0，0，h0+h1)、

c(0，r0，0)可以分别确定旋转抛物面、旋转球面和旋转柱面的母线方程，抛物面部分对应的母线方程为：，z＝-1.5625×10^-4·y²+7.5λ，z∈[6.8λ，7.5λ],柱面对应的母线方程为：x＝9.2λ，z∈[0，-7.2λ],y∈[-9.2λ，9.2λ]。

按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则构建天线子阵，再将天线子阵排布到异形曲面共形阵上。

参阅图4。在可选的实施例中，在三维直角坐标系原点θ＝0，φ＝0的位置用(r、θ、φ)这3个有序实数来表示球坐标，任意一点的坐标用(x、y、z)坐标表示，r为球面半径，极角θ是z轴与r的夹角，它的取值范围是[0,π]，z轴上任何点的极角都是0；方位角φ由x轴与y轴确定的平面上起始于x轴，沿逆时针方向量出的角度。可以将球面上的任意一点的三维直角坐标记做P(x,y,z)，球坐标记做P(r,θ,φ)。按照天线子阵内天线单元半波长均匀排布的规则，抛物面部分从上抛物面第一层到下抛物面第N_1θi层，共N_1θi层。球面部分从上球面第一层到下球面第N_2θi层，共N_2θi层，抛物面部分顶部第一层为圆环形，顶部的子阵分为三圈，每圈按照1、4、11个阵元排布；第二层子阵为梯形，分为四行，每行分别按照2、3、5、6个阵元排布；第三层子阵为梯形，分为三行，每行分别按照5、5、6个阵元排布。

球面部分划分两种子阵类型：第一层子阵为梯形，分为五行，每行分别按照3、3、3、3、4个阵元排布；第二层子阵为准矩形，分为五行，每行分别按照3、3、3、3、4个阵元排布。柱面部分从上柱面第一层到下柱面第N_3θi层，共N_3θi层，柱面部分共需三层子阵，每一层为同一种子阵类型：每层子阵为正方形，阵元按照4行4列的规则进行排布。

在抛物球柱面上每层的方位角φ＝0°位置放置第一个天线子阵，方位向每层的子阵个数Nφi为该层周长除以子阵边长后的取整值，俯仰向每层方位角的第一个子阵绕着+Z轴方向旋转均匀排布，这样便得到整个阵列的天线排布，抛物面部分俯仰向的三种子阵数分别为1、7、10，球面部分俯仰向的两种子阵数分别为15、18，柱面部分俯仰向的三种子阵数分别为18、18、18。

柱面部分从上柱面第一层到下柱面第N_3θi层，共N_3θi层。不失一般性，柱面部分共需三层子阵，每一层为同一种子阵类型：每层子阵为正方形，阵元按照4行4列的规则进行排布。柱面部分共需三层子阵，每一层为同一种子阵类型，并且方位角φ表示的位矢在x-y平面上的投影与x轴的夹角φ∈[0，π]或[-π，π]，柱面第一层上分布有第1个、第2个、第3个…第N_φi个天线单元。天线子阵内设置N0＝16个天线单元，单元间的间距d0为0.5λ(λ为2.2GHz对应的波长)。

全空域测控通信异形曲面共形阵列天线沿着坐标系的俯仰向和方位向排布子阵，具体为：在抛物球柱面上每层的方位角φ＝0°位置放置第一个天线子阵，方位向每层的子阵个数Nφi为该层周长除以子阵边长后的取整值，俯仰向每层方位角的第一个子阵绕着+Z轴方向旋转均匀排布，这样便得到整个阵列的天线排布，抛物面部分俯仰向的三种子阵数分别为1、7、10，球面部分俯仰向的两种子阵数分别为15、18，柱面部分俯仰向的三种子阵数分别为18、18、18。整个总的子阵数为N_sub＝105，阵列总的阵元个数为S0＝N_sub×N0＝1680个。

图5给出了异形曲面共形阵列增益随仰角变化曲线，可以看到在全空域该异形阵列的增益大于30dB，增益波动随仰角变化不超过1dB，实现了稳定可靠的辐射性能。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。