本發(fā)明涉及微波天線，具體涉及一種寬角掃描相控陣天線高效性能計算與仿真驗證方法，用于大規(guī)模高性能寬角掃描相控陣天線的仿真設計領域。

背景技術：

1、目前，天線陣列已經(jīng)在通信、遙感、雷達、電子戰(zhàn)等軍用領域有著廣泛的應用。尤其是廣泛應用于國防事業(yè)中，如陸基雷達、機載和艦載雷達等。在這些應用中，大部分天線都是相控陣天線陣列，其往往規(guī)模龐大，可達數(shù)千甚至上萬單元，同時具備多波束掃描以及寬角域覆蓋等功能，因此愈加先進的大規(guī)模相控陣天線對新時代天線設計方法提出了更高的要求。

2、傳統(tǒng)相控陣天線往往可分為兩種情況，在規(guī)模不大時，通常采用hfss、cst等仿真軟件對整個天線陣面進行整陣求解，從而得到天線設計方案；在規(guī)模十分龐大時，由于受限于計算資源，整陣無法計算，通常采用小陣分析法，即采用一定規(guī)模的小陣設計并預加工一版進行實測實現(xiàn)對整陣的預估。然而，現(xiàn)有的大部分陣列天線都規(guī)模十分龐大，小陣分析法盡管可以解決整陣無法計算的難題，但其仍具有相當大的規(guī)模，通常不小于5倍的波長，以工程常用的半波長間距為例，即≥10×10的陣列規(guī)模，最少具有上百個的求解端口，該規(guī)模的陣列仍需要數(shù)個小時的計算時間，使得設計效率較低，不能及時發(fā)現(xiàn)問題并進行更新迭代。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術問題是：

2、現(xiàn)有大規(guī)模相控陣天線設計通常采用單元調(diào)試加小陣分析法實現(xiàn)，小陣分析法求解端口多，計算效率低，設計周期長，在科研任務愈加緊張的今天已遠不能滿足實際需求。為了避免現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明提供一種寬角掃描相控陣天線高效性能計算與仿真驗證方法，用于提高大規(guī)模相控陣天線的設計效率，降低設計成本，減少不必要的仿真時間。

3、為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：

4、一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，其特征在于，所述大規(guī)模寬角掃描相控陣天線為≥16×16的陣列規(guī)模，包括：

5、獲取理想相控陣天線單元方向圖和有源反射系數(shù)的關系表達式；

6、將所述相控陣天線拆分為多個相控陣天線單元，通過仿真軟件對所述相控陣天線單元進行仿真獲得初步仿真有源反射系數(shù)；

7、對所述初步仿真有源反射系數(shù)進行判定，基于判定結(jié)果對所述相控陣天線單元進行組陣仿真，得到所述相控陣天線單元的3d有源增益方向圖數(shù)據(jù)；

8、對所述的3d有源增益方向圖數(shù)據(jù)進行數(shù)值計算，根據(jù)所述理想相控陣天線單元方向圖和有源反射系數(shù)的關系表達式求解相控陣中單元不同掃描角、不同頻率時有源反射系數(shù)；同時將所述的3d有源增益方向圖數(shù)據(jù)采用方向圖乘積定理進行綜合，得到不同掃描角的整陣增益方向圖。

9、本發(fā)明進一步的技術方案：所述理想相控陣天線單元方向圖和有源反射系數(shù)的關系表達式，具體為：

10、

11、其中，為有源反射系數(shù)，θ、是球坐標系的坐標值，a是單元口徑面積，λ是工作波長。

12、本發(fā)明進一步的技術方案：所述通過仿真軟件對所述相控陣天線單元進行仿真獲得初步仿真有源反射系數(shù)，包括：

13、在hfss中建立所述相控陣天線單元初始仿真模型，采用hfss附帶的周期邊界分析法，分別將單元天線設置不同切面的不同掃描角度，得到不同掃描角度的陣中單元的初步仿真有源反射系數(shù)。

14、本發(fā)明進一步的技術方案：所述對所述初步仿真有源反射系數(shù)進行判定包括：

15、將所述初步仿真有源反射系數(shù)與閾值2進行比較，如果小于等于2，則對所述相控陣天線單元進行組陣仿真。

16、本發(fā)明進一步的技術方案：所述對所述相控陣天線單元進行組陣仿真，包括：

17、對所述相控陣天線單元作為中心單元做奇數(shù)規(guī)模的均勻陣列排布，并將除中心單元外其余所有單元端口均接50歐姆負載處理；

18、對中心單元進行饋電，得到不同頻率陣中單元有源方向圖，得到所述相控陣天線單元的3d有源增益方向圖數(shù)據(jù)。

19、本發(fā)明進一步的技術方案：所述奇數(shù)規(guī)模為9×9。

20、本發(fā)明進一步的技術方案：對所述的3d有源增益方向圖數(shù)據(jù)進行數(shù)值計算，根據(jù)所述理想相控陣天線單元方向圖和有源反射系數(shù)的關系表達式求解相控陣中單元不同掃描角、不同頻率時有源反射系數(shù)，包括：

21、將所述3d有源增益方向圖數(shù)據(jù)導出至matlab或excell中進行數(shù)值計算，根據(jù)所述理想相控陣天線單元方向圖和有源反射系數(shù)的關系表達式求解相控陣中單元不同掃描角、不同頻率時有源反射系數(shù)。

22、本發(fā)明的有益效果在于：

23、本發(fā)明提供的一種寬角掃描相控陣天線高效性能計算與仿真驗證方法，依據(jù)理論分析，通過理論公式的完備推導，依據(jù)化整為零的思想，結(jié)合hfss仿真軟件，巧妙設計了不同種類的小規(guī)模仿真模型，將陣列天線的端口特性與遠場輻射特性結(jié)合的思路，僅通過計算1-2個端口的小規(guī)模陣列即可實現(xiàn)對整陣特性的預估，最后采用matlab數(shù)值計算方法，得到整陣精準仿真結(jié)果。該發(fā)明可將陣列天線的設計大大簡化，數(shù)十倍乃至百倍的提高設計效率，極大降低了設計成本，加快了設計周期。

24、本發(fā)明通過理論推導加簡單的仿真計算，結(jié)合matlab的數(shù)值計算方法，實現(xiàn)了大規(guī)模寬角掃描相控陣天線的高效性能計算。解決了傳統(tǒng)相控陣天線計算效率低下的難題，使得大規(guī)模相控陣天線的設計效率大大提高，在通信、遙感、雷達、電子戰(zhàn)等領域有著巨大的應用前景。

技術特征：

1.一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，其特征在于，所述大規(guī)模寬角掃描相控陣天線為≥16×16的陣列規(guī)模，包括：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，其特征在于，所述理想相控陣天線單元方向圖和有源反射系數(shù)的關系表達式，具體為：

3.根據(jù)權利要求1所述的一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，其特征在于，所述通過仿真軟件對所述相控陣天線單元進行仿真獲得初步仿真有源反射系數(shù)，包括：

4.根據(jù)權利要求3所述的一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，其特征在于，所述對所述初步仿真有源反射系數(shù)進行判定包括：

5.根據(jù)權利要求4所述的一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，其特征在于，所述對所述相控陣天線單元進行組陣仿真，包括：

6.根據(jù)權利要求5所述的一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，其特征在于，所述奇數(shù)規(guī)模為9×9。

7.根據(jù)權利要求1所述的一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，其特征在于，對所述的3d有源增益方向圖數(shù)據(jù)進行數(shù)值計算，根據(jù)所述理想相控陣天線單元方向圖和有源反射系數(shù)的關系表達式求解相控陣中單元不同掃描角、

技術總結(jié)
本發(fā)明涉及一種大規(guī)模寬角掃描相控陣天線性能計算與仿真驗證方法，屬于微波天線技術領域。依據(jù)能量守恒定律及陣列天線設計理論，結(jié)合理論推導及有限元法仿真驗證的實踐路線，通過一系列不同規(guī)模小型陣列的計算，將有限元仿真的高真實度與理論推導的完備性相結(jié)合，并借助于Matlab強大的數(shù)值計算能力，實現(xiàn)了大規(guī)模相控陣的高準確度性能計算，大大提高(數(shù)百倍)傳統(tǒng)大規(guī)模相控陣的計算效率，解決了工程上無法準確高效估計大規(guī)模陣列天線性能的難題，極大的降低了天線的設計成本。

技術研發(fā)人員：陳曦,賀一展,孔鶴翔
受保護的技術使用者：西安電子科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6