阅读说明：本技术 一种极宽带综合口径阵列天线的布阵方法 (Array arrangement method of ultra-wideband comprehensive caliber array antenna ) 是由 王杰 张小林 王亚茹 王一杰 李鹏 方佳 金谋平 朱庆超 苗菁 于 2020-11-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种极宽带综合口径阵列天线的布阵方法,属于天线技术领域,包括以下步骤：S1：频段划分；S2：低频段阵列天线布阵；S3：中频段阵列天线排布区域选择及布阵；S4：高频段阵列天线排布区域选择及布阵。本发明能够实现百倍频程的天线阵列在有限的口径内,尽量采用较少的单元数量,同时保证低副瓣、高增益以及大角度扫描等优点,有效的地解决了传统的紧耦合超宽带阵列天线带宽受到最大不出栅瓣的阵列单元间距限制的问题,相比于传统的分频段共口径天线,不同频段天线互相嵌套,减少了天线数目和口径面积,节约了成本。(The invention discloses an array arrangement method of an ultra-wideband comprehensive caliber array antenna, which belongs to the technical field of antennas and comprises the following steps: s1: dividing frequency bands; s2: arranging low-frequency-band array antennas; s3: selecting and arranging an arrangement area of the medium-frequency array antenna; s4: and selecting and arranging the arrangement area of the high-frequency-band array antenna. The invention can realize that the antenna array of the hundred-fold frequency range adopts less unit quantity as much as possible in the limited caliber, simultaneously ensures the advantages of low side lobe, high gain, large-angle scanning and the like, effectively solves the problem that the bandwidth of the traditional tightly coupled ultra-wideband array antenna is limited by the array unit interval without the maximum grating lobe, and compared with the traditional frequency-division-band common-caliber antenna, the antennas of different frequency bands are mutually nested, thereby reducing the number of the antennas and the caliber area and saving the cost.)

一种极宽带综合口径阵列天线的布阵方法

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种极宽带综合口径阵列天线的布阵方法。

背景技术

随着对天线要求的不断提高，超宽带、大角度扫描天线是天线工程应用的重要发展方向，尤其是带宽超过百倍频的极宽带阵列天线。传统的超宽带阵列天线大多采用紧耦合阵列天线形式，这种天线对于带宽超过10:1，无论是天线单元本身无法达到这么大的带宽，还是阵列单元间距受到阵列方向图不出栅瓣的限制，目前的阵列天线都难以实现。

为解决上述问题，提出一种极宽带综合口径阵列天线的布阵方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何在实现带宽超过百倍频程的阵列天线的同时使天线具有低副瓣和宽角扫描等性能，提供了一种极宽带综合口径阵列天线的布阵方法，可有效地减小天线单元数量的同时，保证整个频段内天线实现大角度扫描、低副瓣和高增益等特性；对未来超宽带SAR成像雷达系统、超宽带电子侦察和干扰系统以及雷达、通信、电子战多功能一体化综合电子系统等有较大的工程应用价值。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：频段划分

将百倍频程的工作频段划分成高、中、低三个超宽带频段，其中低频段和中频段阵列天线采用稀疏化布阵，高频段阵列天线采用紧耦合阵列布阵；

S2：低频段阵列天线布阵

采用超宽带稀疏化阵列优化算法，将低频段天线单元稀疏排布于全局口径面内，全局口径面为三个频段阵列天线共同排布的区域；

S3：中频段阵列天线排布区域选择及布阵

根据中频段阵列天线圆口径面积，在全局口径面内通过移动中频段阵列天线圆口径的圆心位置，寻找中频段圆形口径内低频段天线单元最少的圆心位置，确定中频段阵列天线的圆口径区域，采用超宽带稀疏化阵列优化算法，将中频段天线单元稀疏排布在该圆口径区域内，中频段阵列天线与该区域内所有的低频段阵列天线的单元距离不小于低频段阵列天线最低频的半个波长；

S4：高频段阵列天线排布区域选择及布阵

选择远离中频段阵列天线的区域，且该区域位于低频段阵列天线单元间距最大的区域，确定该区域为高频段阵列天线排布区域，采用紧耦合阵列排布，将整个阵列插入到低频段天线单元之间。

更进一步地，所述超宽带稀疏化阵列优化算法是将一个包含N个阵元的圆形口径面分为面积相等的P个扇形区域，每块扇区的圆心角为每个扇区中的阵元数为M＝NP，优化一个扇区内阵元的位置其中r表示阵元半径值，表示阵元的圆心角值，得到该扇区内阵元的最终排布位置，再以的角度间隔旋转对称得到整个圆形口径面的阵面排布。

更进一步地，所述超宽带稀疏化阵列优化算法的具体过程如下：

S21：确定阵列结构的基本参数和工作频带，每个阵元由r、这两个变量共同决定，在(0,R]和范围内随机生成初始父代种群，种群数目满足N_p≥(4+3ln(2M)),M为一个扇区内的阵元数；

S22：计算每个种群的适应度函数并按从小到大的顺序对其进行排序，判断是否有适应值满足要求，有则导出优化结果，反之，选取前N_P2个最小的种群组成子代种群，N_p为种群个数，并进行下一步迭代，目标函数如下：

f_cost＝PSLL^dB+c₀(d_target-min(d_min,d_target))²

其中，PSLL为整个阵列方向图的副瓣最大值，c₀为比重因子，取为1，d_target为目标天线单元之间最小间距，d_min是实际天线单元之间的最小间距；

S23：根据子代种群，对算法中的均值、步长、协方差矩阵等参量进行更新，再由新的正态分布产生新的父代种群；

S24：重复步骤S21～S23，直到找到满足条件的优化结果或者完成整个迭代。

更进一步地，在所述步骤S1中，频率划分时低频段和中频段阵列天线两个频段的阵列天线带宽设计不超过7:1，高频段阵列天线按照3:1带宽设计。

更进一步地，在所述步骤S2和S3中，低频段和中频段阵列天线的天线单元间距不小于对应工作频段内最低频对应的半个波长；低频段和中频段阵列天线之间的天线单元间距不小于低频段阵列天线最低频对应的半个波长。

更进一步地，在所述步骤S2和S3中，根据该频段天线增益要求，按照等间距排布方式计算所需单元数量，将计算得到的天线单元数作为初始值带入到超宽带稀疏化阵列优化算法中进行优化，根据优化得到的天线增益和适应值函数增加或者减小天线单元数量，增益计算公式如下：

G^dB＝10logN+G₀ ^dB

其中G₀表示天线单元增益，单位为dB，N表示天线单元数目，G为天线增益，单位为dB。

更进一步地，在所述步骤S2中，所使用的超宽带稀疏化阵列优化算法的目标函数为阵列最小单元间距和方向图最高副瓣的线性叠加；在所述步骤S3中，中频段阵列天线稀疏化布阵优化时除去区域内低频段阵列天线所占区域，在剩下的区域中排布中频段阵列天线，所使用的超宽带稀疏化阵列优化算法的目标函数为最小单元间距(包括中频段阵列天线单元之间和中频段与低频段阵列天线单元之间的距离)和方向图最高旁瓣的线性叠加。

更进一步地，在所述步骤S3中，寻找中频段阵列天线排布位置的过程如下：

S31：首先根据中频段阵列天线增益要求计算得到天线所需的圆口径面积，圆面积的计算公式如下：

其中A表示天线口径面积，G表示天线增益，λ表示天线工作波长。中频段阵列天线的半径根据圆口径面积计算得出。

S32：然后沿着x轴和y轴两个维度方向在已经排布了低频段阵列天线的全局口径面内移动中频段阵列天线圆口径的圆心，寻找中频段阵列天线的圆口径占据的低频段阵列天线面积最少的圆即为中频段天线排布区域，其中低频段阵列天线的面积为中频段阵列天线圆口径内实际的低频段阵列天线单元投影面积之和。

更进一步第，高频段紧耦合阵列天线的阵列中心位置为离中频段阵列天线圆口径的圆心距离为S_d以外的全局口径区域内,S_d计算公式如下：

S_d＝r₁+r₂+5λ_min

其中r₁表示中频段圆口径半径距离，r₂表示高频段中心到阵列边缘的距离，λ_min表示高频段最低频率对应的波长。然后再在该区域内寻找到一点离周围最近的0.3-2GHz天线单元中心距离之和最小的点的位置即为高频段天线单元的中心位置。

更进一步地，低频段和中频段阵列天线的相邻天线单元之间耦合度低于-30dB。

更进一步地，低频段和中频段阵列天线极化方向互相垂直，三个频段的天线单元高度顶部平齐，中频段和高频段抬高地板，保持和低频段阵列天线高度一致。

本发明相比现有技术具有以下优点：该极宽带综合口径阵列天线的布阵方法，通过采用大间距的超宽带稀疏化布阵，突破了传统阵列天线单元间距不超过最高频半个波长的限制；通过采用将中频段稀疏化阵列天线和高频段紧耦合阵列天线插入在低频段稀疏化阵列天线之中，解决了传统紧耦合共口径天线不能互相穿插，口径面积较大的问题；突破了传统超宽带天线带宽的限制，可以实现100:1的带宽，可适应多个系统的工作频率需求，适应于集雷达、通信、电子战和其它功能一体的多功能综合电子系统，值得被推广使用。

附图说明

图1是本发明实施例二中极宽带综合口径阵列天线排布方法的流程示意图(图中空心三角形表示低频段天线单元，实心三角形表示中频段天线单元，矩形表示高频段阵列天线)；

图2是本发明实施例二中0.3～2GHz阵列天线经超宽带稀疏化阵列优化后的排布示意图；

图3是本发明实施例二中2～12GHz阵列天线通过移动圆心位置寻找最终天线排布区域的示意图；

图4是本发明实施例二中0.3～2GHz和2～12GHz阵列天线经超宽带稀疏化阵列优化后的排布示意图；

图5是本发明实施例二中0.3～2GHz、2～12GHz超宽带稀疏化阵列以及12～30GHz紧耦合阵列综合口径排布示意图；

图6是本发明实施例二中0.3GHz处由算法根据天线排布得到的天线法向方向图；

图7是本发明实施例二中0.3GHz处由算法根据天线排布得到的天线扫描45°方向图；

图8是本发明实施例二中2GHz处由算法根据天线排布得到的天线法向方向图；

图9是本发明实施例二中2GHz处由算法根据天线排布得到的天线扫描45°方向图；

图10是本发明实施例二中12GHz处由算法根据天线排布得到的天线法向方向图；

图11是本发明实施例二中12GHz处由算法根据天线排布得到的天线扫描45°方向图；

图12是本发明实施例二中30GHz处由10×10个单元组成的紧耦合阵列天线在法向的方向图；

图13是本发明实施例二中30GHz处由10×10个单元组成的紧耦合阵列天线在扫描45°的方向图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供一种技术方案：一种极宽带综合口径阵列天线的布阵方法，包括以下步骤：

S1：频段划分

将百倍频程的工作频段划分成高、中、低三个超宽带频段，低频段和中频段阵列天线采用稀疏化布阵，高频段阵列天线采用紧耦合阵列布阵。

S2：低频段阵列天线稀疏化布阵

采用超宽带稀疏化阵列优化算法，将低频段天线单元稀疏排布于全局口径面内，全局口径面为三个频段阵列天线共同排布的区域。

本发明采用的稀疏化阵列优化算法是一种基于种群的进化策略，以多元正态分布的形式引导种群在搜索空间进行搜索，即每一代种群从多元正态分布中抽样产生，多元正态分布被其期望值和对称正定协方差矩阵唯一确定；算法的核心是通过调节种群的均值、协方差以及优化变量数等参数使算法达到尽可能好的搜索效果。

算法的基本原理是将一个包含N个阵元的圆形口径面分为面积相等的P个扇形区域，那么每块扇区的圆心角为每个扇区中的阵元数为M＝NP，由于旋转对称阵列的阵因子也具有相似的对称性，故只需要优化一个扇区内阵元的位置其中r表示阵元半径值，表示阵元的圆心角值，得到该扇区内阵元的最终排布位置，再以的角度间隔旋转对称得到整个圆形口径面的阵面排布。

算法的具体步骤包括：

第一步：确定阵列结构的基本参数和工作频带，每个阵元由r、这两个变量共同决定，在(0,R]和范围内随机生成初始父代种群，种群数目满足N_p≥(4+3ln(2M)),M为一个扇区内的阵元数。

第二步：根据公式(1)计算每个种群的适应度函数并按从小到大的顺序对其进行排序，判断是否有适应值满足要求，有则导出优化结果，反之，选取前N_p/2个适应值最小的种群组成子代种群，N_p为种群个数，并进行下一步迭代；

f_cost＝PSLL^dB+c₀(d_target-min(d_min,d_target))² (1)

其中，PSLL为整个阵列方向图的副瓣最大值，c₀为比重因子，这里取1，d_target为目标天线单元之间最小间距，d_min是实际天线单元之间的最小间距。

第三步：根据子代种群，对算法中的均值、步长、协方差矩阵等参量进行更新，再由新的正态分布产生新的父代种群。

第四步：重复上述步骤，直到找到满足条件的优化结果或者完成整个迭代。

S3：中频段阵列天线排布区域选择和稀疏化布阵

根据中频段阵列天线圆口径面积，在全局口径面内通过移动中频段阵列天线圆口径的圆心位置寻找中频段圆形口径内低频段天线单元最少的圆心位置从而确定中频段阵列天线的圆口径区域。采用超宽带稀疏化阵列优化算法，将中频段阵列天线排布在上述区域内，保证中频段阵列天线与该区域内所有的低频段阵列天线的单元距离不小于低频段阵列天线最低频的半个波长。

S4高频段阵列天线排布区域选择和紧耦合布阵

高频段阵列天线排布区域为距离中频段阵列天线圆心距离为S_d的以外的全局口径区域内，然后在该圆外区域内寻找一点离周围0.3-2GHz天线单元中心距离之和最大的点即为12-30GHz阵列天线的中心位置，根据12-30GHz天线增益计算出口径大小，最终得到了12-30GHz天线的口径区域。由于高频段阵列天线尺寸相对于低频段天线单元间距较小，因此采用紧耦合阵列排布，将整个阵列插入到低频端天线单元之间。

在所述步骤S1中，频率划分时低频段和中频段阵列天线由于受到超宽带稀疏化算法带宽的限制，两个频段的阵列天线带宽设计不要超过7：1，另外尽可能沿用国际规定的天线频段划分，避免将同一频段拆开。低频段和中频段阵列天线可按照6：1带宽设计，高频段阵列天线按照3:1带宽设计。

在所述步骤S2和S3中，低频段和中频段阵列天线的稀疏化布阵，要求天线单元间距不小于该工作频段内最低频对应的半个波长；低频段和高频段阵列天线之间的单元间距要求不小于低频段阵列天线最低频对应的半个波长。

在所述步骤S2和S3中，根据该频段天线增益要求，按照等间距排布方式计算所需单元数量，计算公式如下公式2，将计算得到的天线单元数作为初始值带入到超宽带稀疏化阵列优化算法中进行优化，根据优化得到的天线增益和适应值函数增加或者减小天线单元数量。

G^dB＝10logN+G₀ ^dB (2)

其中G₀表示天线单元增益，单位为dB，N表示天线单元数目，G为天线增益，单位为dB。

在所述步骤S2中，所使用的超宽带稀疏化阵列优化算法的目标函数为阵列最小单元间距和方向图最高副瓣的线性叠加，如公式1所示。

在所述步骤S3中，中频段阵列天线稀疏化布阵优化时需除去区域内低频段阵列天线所占区域，在剩下的区域中排布中频段阵列天线，所使用的超宽带稀疏化阵列优化算法的目标函数为最小单元间距(包括中频段阵列天线单元之间和中频段与低频段阵列天线单元之间)和方向图最高旁瓣的线性叠加。

在所述步骤S3中，寻找中频段阵列天线排布位置的方法为：首先根据中频段阵列天线增益要求计算得到天线所需的圆口径面积，中频段阵列天线的半径根据圆口径面积计算，然后沿着x轴和y轴两个维度方向在已经排布了低频段阵列天线的全局口径面内移动中频段阵列天线圆口径的圆心，寻找中频段阵列天线的圆口径占据的低频段阵列天线面积最少的圆即为中频段天线排布区域。其中低频段阵列天线的面积为中频段阵列天线圆口径内实际的低频段阵列天线单元投影面积之和。

在所述步骤S4中，高频段紧耦合阵列天线的阵列中心位置为离中频段圆心距离为S_d以外的全局口径区域内,S_d计算公式如下：

S_d＝r₁+r₂+5λ_min (3)

其中r₁表示中频段圆口径半径距离，r₂表示高频段中心到阵列边缘的距离，λ_min表示高频段最低频率对应的波长。然后再在该区域内寻找到一点离周围最近的0.3-2GHz天线单元中心距离之和最小的点的位置即为高频段天线单元的中心位置。

低频段和中频段阵列天线的天线单元需实现相邻单元之间耦合度低于-30dB。

低频段和中频段阵列天线极化方向互相垂直，三个频段的天线单元高度顶部平齐，中频段和高频段需要抬高地板，保持和低频段阵列天线高度一致。

实施例二

如图1～13所示，本实施中使用本发明的极宽带综合口径阵列天线布阵方法实现0.3～30GHz阵列天线设计。要求在整个口径面积不大于3m×3m的口径内，具有两维扫描±45°的功能。

S1：频段划分

0.3～30GHz阵列天线整体带宽达到了100:1，考虑到超宽带稀疏化布局优化带宽限制和常用频段划分原则，将频段划分为三段，分别为0.3～2GHz、2～12GHz以及12～30GHz，每段阵列天线带宽不超过7:1。

S2：低频段阵列天线稀疏化布阵

首先通过实施例一中的公式(2)得到0.3～2GHz阵列天线的天线单元数量作为稀疏化布阵优化算法的初始值，然后通过稀疏布阵优化算法得到0.3～2GHz阵列天线在3m×3m口径内阵列天线排布，要求单元和单元之间的间距要不小于最低频率0.3GHz对应的半个波长(500mm)，且具有较低的副瓣和二维扫描角度大于±45°的性能，算法优化得到所需天线单元数量为24个，天线单元间距最小为503mm，阵列天线扫描45°的方向图。

S3：中频段阵列天线排布区域选择和稀疏化布阵

计算出2～12GHz阵列天线所需要的圆口径面积，其中天线单元和天线单元之间的距离要不小于最低频率2GHz对应的半个波长(75mm)，故圆口径面积的计算公式为：

其中，λ为天线的工作波长，A为圆口径面积，G为天线增益，根据指定频率处天线增益要求得到圆口径面积，通过圆口径面积计算出半径(r)为1m。沿着X轴和Y轴两个方向在直径为3m的全局口径圆内移动2～12GHz阵列天线的圆心位置，寻找出包含0.3～2GHz阵列天线单元投影面积之和最小的圆区域，即为2～12GHz阵列天线布局的区域。

通过实施例一中的公式(2)得到2～12GHz阵列天线稀疏化优化算法中天线单元数量初始值，扣除所选定的2～12GHz圆区域内的0.3～2GHz单元的区域，将2～12GHz天线单元布局在扣除后的剩余区域内，且保证天线单元之间的距离大于最低频2GHz对应的半个波长(75mm)，最终得到满足2～12GHz增益和扫描范围指标要求的位置布局。2～12GHz阵列天线单元最终数目为127个，单元间距最小间距为76mm，天线扫描45度的最大副瓣为-20dB。

S4：高频段阵列天线排布区域选择紧耦合布阵

根据0.3～2GHz的增益要求，按照公式4计算出12-30GHz紧耦合阵列天线的口径面积为6400mm²，选择正方形的布阵方式，最终得到12～30GHz的口径尺寸为80mm×80mm。在已经排布了0.3～2GHz和2～12GHz的3m×3m的圆形口径内，以2～12GHz圆心位置为圆心，距离S_d为半径在3m×3m的口径内画圆，12～30GHz的口径中心就在该圆外的3m×3m的区域内。其中S_d＝r_2-12GHz+d_12-30GHz+5λ_12GHz，其中r_2-12GHz为2～12GHz的口径半径，这里为1m，d_12-30GHz为12～30GHz的中心距离口径边缘的距离，为40mm，λ_12GHz为12GHz对应的波长，为25mm，故S_d的值为1165mm。然后该区域内寻找一个点离周围最近的0.3～2GHz天线单元中心间距之和最大的点即为12～30GHz的口径中心位置，将12～30GHz阵列天线放置其中，最终得到整个300MHz～30GHz综合口径阵列天线布局。

综上所述，上述实施例的极宽带综合口径阵列天线的布阵方法，由通过采用大间距的超宽带稀疏化布阵，突破了传统阵列天线单元间距不超过最高频半个波长的限制；通过采用将中频段稀疏化阵列天线和高频段紧耦合阵列天线插入在低频段稀疏化阵列天线之中，解决了传统紧耦合共口径天线不能互相穿插，口径面积较大的问题；突破了传统超宽带天线带宽的限制，可以实现100:1的带宽，可适应多个系统的工作频率需求，适应于集雷达、通信、电子战和其它功能一体的多功能综合电子系统，值得被推广使用。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。