本发明专利技术涉及一种由多元子阵作为单元构成的稀疏相控阵天线，多元子阵自上而下由四个偶极子、功分网络和反射板组成。稀疏阵扫描能力约为-30°~+30°，面阵稀布率低于0.5且增益与满阵大致相当。该技术可用于相控阵雷达系统并极大地降低系统成本。其主要创新点在于采用单元方向图（窗型/扇形单元方向图）对阵因子进行调制来抑制栅瓣，从而允许栅瓣进入实空间（-90°~+90°），以达到增加单元间距，即稀疏的目的。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种有限扫描能力的高增益稀疏天线阵，特别是一种由多元子阵构成的稀疏相控阵天线。该技术可应用于相控阵雷达系统而使阵元数大为减少，从而大大降低系统成本。
技术介绍
相控阵系统以其快捷的波束扫描模式、灵活的波形综合以及更高的发射功率等特点，已广泛应用于雷达、遥感和通信等领域。而相控阵天线是决定整个相控阵系统性能的关键子系统，其好坏直接影响着全系统的分辨率、作用距离、体积和成本等指标。但是，按照传统天线阵的综合理论，阵元间距需小于一个波长以避免形成栅瓣而降低主瓣增益；而当要求工作于相扫描模式时，阵元间距限制更严格，通常取为0. 5波长。 这意味着更多的天线单元数量和T/R组件，使得相控阵系统造价变得相当昂贵。稀疏天线阵可以在满足性能的前提下减少阵元数量以实现低成本，因此得到了广泛的研究。国内外稀布阵的研究主要可以分为两种1)硬实现方式，通过对周期性的满阵按某些规律抽去一些阵元以实现稀布；2)软实现方式，这种方式多用于合成孔径辐射计 (SIAR)或一些浮空平台对地观测，通过对稀疏阵在不同位置进行频率采样，用信号处理的方式还原到类似满阵的性能。前者能够用较少的单元实现较窄的波束和较低的旁瓣电平， 但是其增益比满阵有较明显的下降，其下降幅度同稀布率等因素有关。这类稀布阵的研究多采用优化算法或用穷举法对旁瓣进行自适应优化，缺乏直观的解析理论且计算量较大，尤其是近来这类稀布阵往往采用微扰或非线性布阵(上限下限法/下限及指定口径面) 进行非均勻布阵以进一步克服栅瓣，更增加了计算的复杂性(王玉峰、张建强等，“矩形平面稀疏阵的免疫算法优化”，通信对抗，NO. 99,2007, pp :29-32; KUMAR B P and BRANNER G R. Generalized analytical technique for the synthesis of unequally spaced arrays with linear , planar , cylindrical or spherical geometry, IEEE Trans. Antennas Propagation，2005，53(2) : 621-634;陈客松、何子述，平面稀布天线阵列的优化算法，电波科学学报，24( ，2009:193-198)；后者的稀布方式主要是利用了信号的后处理和校正，通过压缩空间频率的冗余度实现稀布，缺点是需要可观的计算量且应用范围比较有限(保铮，张庆文.一种新型的米波雷达2综合脉冲与孔径雷达，现代雷达，1995,2:1-13;陆鹏程，徐海洲，徐晋，付启众，胡坤娇，稀布阵综合脉冲孔径雷达阵列优化设计，雷达科学与技术，6 ) ,2008:243-246;董健，李青侠等，综合孔径辐射计二维稀疏天线阵列排列方法，微波学报，25(2)，2009:83-86，Li Zhenfang，Bao Zheng，Wang Hongyang ,Liao Guisheng. Performance improvement for constellation SAR using signal processing techniques. IEEE Trans, 2006, AES—42(2):436—452.)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种由多元子阵作为阵元构成的稀疏相控阵天线，它引入多元子阵来提供一种有限扫描能力(-30° +30° )并且高增益(与满阵相近)的等距分布稀疏阵，其阵元间距取为广1.6个波长，其方向图可由经典的阵因子理论综合得到。具有设计简单可靠，无需信号后处理等优点为达到上述目的，本专利技术的构思是传统的天线阵(满阵)的指导思想是通过减小阵元之间的间距，使栅瓣的位置出现在实空间(-90° +90° )之外，以避免栅瓣引入所带来的方向性下降，其代价是阵元多。根据方向图乘积原理，天线阵的方向图由单元方向图和阵因子两部分构成。因此， 本专利技术通过合理设计单元的方向图，使单元直角坐标方向图成为矩形窗型，以此方向图“调制”天线阵总方向图。这样，即使阵元间距大，以致阵因子的栅瓣出现在实空间(-90° +90° )，只要栅瓣位于单元方向图的“矩形窗”之外，最后天线阵总方向图会由于单元方向图的调制作用而降低此栅瓣至足够低(参见图2)。实现以上方案关键点在于实现矩形的单元方向图。对方向图的指标主要是矩形宽度、突降系数以及主瓣内和主瓣外的电平比。由图2可以发现，矩形宽度主要决定天线阵的扫描能力。突降性能越好(越接近矩形)，则扫描时栅瓣和矩形边沿的保护带可以越窄，阵的稀疏率就越好。而单元主瓣窗内外的电平比决定了阵列最后的主瓣栅瓣电平比。按照上述专利技术思路，本专利技术采用的稀疏阵技术方案有如下特点1.现有的单元天线中，很难找到有同时符合上述三条要求的，尤其是陡峭的突降很难实现。为此，采用Z向(高度向)用对称振子排一个子阵，利用矩形直角坐标方向图(即扇形极坐标方向图)综合来实现。采用特定馈电网络连接并将该多元子阵作为一个“单元”来使用，参见图1中虚线框(1)所包围的一个单元(为叙述清晰起见，以下简称(1)为子阵)；2.子阵的矩形方向图综合可以通过线源的伍德抽样得到，也可以采用优化算法计算出来。考虑到加工和设计的便利性，设计中固定了单元的激励幅度和相位，只采用密度加权的方式实现(参见图3a，图如)；3.采用大反射板以实现良好的前后比特性，由于镜像的作用，此反射板等效于将子阵的长度加大了一倍(参见图北)；4.由于矩形方向图是由Z向排小阵实现的，为求阵元配相和幅度的稳定性，对子阵采用并联馈电，以使其方向图带宽宽些(图6a)；5.总方向图的主瓣栅瓣电平比靠子阵方向图的“矩形窗”内外电平差控制，而主瓣副瓣的电平比则可由Y向阵列的幅度加权获得；6.在相控阵系统中，往往收发共用同一幅天线，因此可采用自适应阵列的原理，将接收方向图的”栅瓣”与发射方向图的”栅瓣”错开，以进一步抑制从栅瓣处进入接收机的噪声。根据上述专利技术构思和技术方案特点，本专利技术采用下述技术方案1.一种由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，自上而下分别由作为“单元”的四元子阵、 功分网络和反射板组成；2.天线阵扫描能力士15° -士35°，阵元(单元小阵)间距1-1. 6个波长依扫描能力有所不同。较常规天线阵理论的排布方式，稀疏率约为0. 25-0. 6 ；3.所述四元子阵的天线(偶极子，双臂分别位于介质板的不同侧)与馈网(平行双线，两根线位于介质板的不同侧)分别印刷在介质板的正反两面，并垂直于反射板安装；4.单元小阵采用Z向密度加权综合法实现扇形方向图，偶极子的间距Dl约为0.2-0. 6 个波长，间距D2与Dl相同，间距D3为0. 3-0. 8个波长，偶极子与反射板之间间距D4约为 0. 5-1. 5个波长；5.所述的四个偶极子逐个反相，设计中通过将临近的偶极子反接实现倒相；6 .所述介质基板的相对介电常数( 为2飞，其介质损耗角正切)小于或等于0. 002，厚度0. 5-2_。本专利技术与现有技术相比，具有如下显而易见的实质性优点本专利技术以多元子阵为阵元来构成稀疏天线阵。由于多元子阵能形成矩形窗型直角坐标方向图，大大抑制了位于“矩形窗”之外的栅瓣电平，阵元间距可取为广1.6本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种由多元子阵构成的稀疏相控阵天线，自上而下，分别由四个偶极子（９）构成的四元子阵（１）——“单元”、功分网络（６）和反射板（７）组成，其特征在于：由８个所述四元子阵（１）构成８元线阵，工作于５ＧＨｚ，阵元间距Ｄ（２）为一个波长；所述“单元”的印刷振子（３）为偶极子，双臂分别位于介质板（１０）的不同侧；馈网（４、６）为平行双线，两根线位于介质板（１０）的不同侧；所述“单元”天线（３）与馈网（４，６）分别印刷在介质板的正反两面，并垂直于反射板（７）安装；所述四元子阵（１）采用４元偶极子（９）——镜像后８元阵，在Ｚ向排阵实现，采用等幅馈电、密度加权的方式实现窗型，即扇形的方向图，窗口宽度±２５度；所述四元子阵（１）采用固定馈网（４）连接，采用并联／级联馈电以及密度阶梯量化的方式，实现较宽的方向图带宽；采用反射板（７）改善天线阵的前后比，并利用反射板的镜像原理有效减小四元子阵（１）在Ｚ向的高度；所述四元子阵（１）的固定馈网（４）通过移相器（５）与功分网络（６）连接，功分网络（６）与ＳＭＡ连接器连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：钟顺时，孙竹，孟春香，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31
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