專利名稱：基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圓形口徑綜合方法，尤其是涉及ー種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
隨著無(wú)線通信的飛速發(fā)展，單個(gè)天線已經(jīng)不能滿足對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)波瓣圖的控制，例如，常見(jiàn)的反射面天線等不能很好控制口徑上的激勵(lì)，缺乏對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)的波束成形的控制，而單個(gè)微帶，螺旋天線又不能滿足增益上等的要求。近年來(lái)，天線陣列技術(shù)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中，但是由于在陣列天線的設(shè)計(jì)中，要得到陣元的位置和激勵(lì)，往往通過(guò)ー些全局優(yōu)化算法(遺傳算法、粒子群算法、差分進(jìn)化算法等)來(lái)實(shí)現(xiàn)，耗費(fèi)的時(shí)間隨著陣元的増加，呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增加，而且最后結(jié)果不一定是最優(yōu)的結(jié)果，對(duì)于稍微大的陣列實(shí)現(xiàn)效率非常之低?？趶骄C合方法是ー種基于口徑場(chǎng)分布與遠(yuǎn)場(chǎng)分布關(guān)系的方法，廣泛應(yīng)用于大型ロ徑面的設(shè)計(jì)如平面天線、拋物面反射面天線等設(shè)計(jì)，和傳統(tǒng)的陣列天線優(yōu)化算法設(shè)計(jì)相比，具有一定的優(yōu)越性，但是該方法只局限于ー種波束賦形的設(shè)計(jì)，不能對(duì)不同種類的波束實(shí)現(xiàn)快速切換。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法，能對(duì)不同種類的波束實(shí)現(xiàn)快速切換。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案步驟如下I)將天線陣列分布在圓形的口徑上，將口徑場(chǎng)分布在由兩個(gè)及以上同心圓環(huán)組成的同心圓陣列上，每ー個(gè)同心圓環(huán)上布置有天線單元，同一個(gè)同心圓環(huán)上至少有3個(gè)天線單元，同一個(gè)同心圓環(huán)上的天線單元中心對(duì)稱并均勻分布；2)所述的口徑場(chǎng)分布通過(guò)基于貝塞爾函數(shù)的參數(shù)加權(quán)方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到賦形不同種類波束的連續(xù)口徑場(chǎng)分布；3)將步驟2)得到的連續(xù)口徑場(chǎng)分布通過(guò)離散方法計(jì)算得到不同種類波束對(duì)應(yīng)的同心圓陣列中每ー個(gè)同心圓環(huán)的半徑和激勵(lì)。所述的基于貝塞爾函數(shù)的參數(shù)加權(quán)方法采用貝塞爾函數(shù)的內(nèi)部加權(quán)或者外部加權(quán)，內(nèi)部加權(quán)采用尺度變換的方法，外部加權(quán)采用線性函數(shù)或者指數(shù)函數(shù)的方法。所述的不同種類波束是筆形波束、平頂波束、等通量波束或差分波束。 所述的離散方法采用采樣離散方法或者口徑上電流分布累積函數(shù)計(jì)算方法。所述的每ー個(gè)同心圓環(huán)的激勵(lì)都是實(shí)數(shù)。所述的每ー個(gè)同心圓環(huán)的激勵(lì)利用功分器來(lái)實(shí)現(xiàn)，功分器采用多級(jí)饋電網(wǎng)絡(luò)方式，并利用微帶線或者帶狀線來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明具有的有益的效果是
該方法能快速評(píng)估某ー個(gè)口徑面上通過(guò)同心圓陣列實(shí)現(xiàn)所需不同種類波瓣圖的可行性，而且提夠了ー種確定性的方法，首先通過(guò)加權(quán)的方法得到合適的準(zhǔn)貝塞爾函數(shù)的連續(xù)口徑分布，然后離散得到同心圓陣列，避免了復(fù)雜的隨機(jī)優(yōu)化算法，提供波束賦形的快速、確定性的ー種方法，為大型陣列和稀疏陣列的設(shè)計(jì)帶來(lái)了方便，圓形口徑由于其很好的対稱性，使得其廣泛應(yīng)用在各種場(chǎng)合中。


圖I是圓形口徑的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射原理圖。圖2是尺度變換加權(quán)的準(zhǔn)貝塞爾函數(shù)J1 (Px)/x的ー種口徑場(chǎng)分布圖。圖3是尺度變換加權(quán)的準(zhǔn)貝塞爾函數(shù)J1 (Px)/x的ー種遠(yuǎn)場(chǎng)輻射圖。圖4是同心圓陣列的ー種基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。 圖5是功分器中的饋電網(wǎng)絡(luò)的ー種基本結(jié)構(gòu)圖。圖中1、輸入端ロ，2、第一層饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出口，3、第一層饋電網(wǎng)絡(luò)，4、第二層饋電網(wǎng)絡(luò)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明方法的具體步驟如下I)將天線陣列分布在圓形的口徑上，將口徑場(chǎng)分布在由兩個(gè)及以上同心圓環(huán)組成的同心圓陣列上，每ー個(gè)同心圓環(huán)上布置有天線單元，同一個(gè)同心圓環(huán)上至少有3個(gè)天線單元，同一個(gè)同心圓環(huán)上的天線單元中心對(duì)稱并均勻分布；2)所述的口徑場(chǎng)分布通過(guò)基于貝塞爾函數(shù)的參數(shù)加權(quán)方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到賦形不同種類波束的連續(xù)口徑場(chǎng)分布；3)將步驟2)得到的連續(xù)口徑場(chǎng)分布通過(guò)離散方法計(jì)算得到不同種類波束對(duì)應(yīng)的同心圓陣列中每ー個(gè)同心圓環(huán)的半徑和激勵(lì)。所述的基于貝塞爾函數(shù)的參數(shù)加權(quán)方法采用貝塞爾函數(shù)的內(nèi)部加權(quán)或者外部加權(quán)，內(nèi)部加權(quán)采用尺度變換的方法，外部加權(quán)采用線性函數(shù)或者指數(shù)函數(shù)的方法。所述的內(nèi)部加權(quán)參數(shù)必須大于0，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)部加權(quán)參數(shù)的大小，調(diào)節(jié)波束寬度和改變整個(gè)波束的形狀，內(nèi)部加權(quán)參數(shù)越大波束越寬，當(dāng)內(nèi)部加權(quán)參數(shù)趨向于無(wú)窮小時(shí)，等同于等幅同相激勵(lì)。要實(shí)現(xiàn)不同的波束賦形，線性函數(shù)加權(quán)和指數(shù)函數(shù)加權(quán)需要與所述的準(zhǔn)貝塞爾函數(shù)一起建模、優(yōu)化，得到所需的連續(xù)ロ徑場(chǎng)分布。所述的不同種類波束是筆形波束、平頂波束、等通量波束或差分波束。所述的離散方法采用采樣離散方法或者口徑上電流分布累積函數(shù)計(jì)算方法。所述的每ー個(gè)同心圓環(huán)的激勵(lì)都是實(shí)數(shù)。每個(gè)同心圓環(huán)上的天線單元的數(shù)量是由每個(gè)同心圓環(huán)的半徑和天線單元的大小決定，半徑越大單元越多，輻射效率越高；根據(jù)優(yōu)化得到的連續(xù)口徑場(chǎng)分布，采用同心圓結(jié)構(gòu)，每個(gè)同心圓環(huán)上的激勵(lì)的幅度和相位相等，同心圓環(huán)的數(shù)量是由整個(gè)口徑的大小和天線單元本身的大小決定，任意相鄰兩個(gè)天線單元之間的距離大于等于半波長(zhǎng)。如圖I所示，口徑在xoy平面，其中圓形口徑邊界的半徑為a，其中Θ和φ分別為俯仰角和方位角，r是遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)距離圓形口徑中心的距離，β是同心圓環(huán)的輻射單元的極坐標(biāo)下的角度，P是同心圓環(huán)的徑向距離，(1β和dp分別是輻射單元在徑向和角度上的大小，P(r，θ, φ)是遠(yuǎn)場(chǎng)輻射能量分布。實(shí)施例如圖4所示，采用由三個(gè)同心圓環(huán)組成的同心圓陣列布局結(jié)構(gòu)。最內(nèi)圈同心圓環(huán)上有4個(gè)天線單元，中間圈同心圓環(huán)上有8個(gè)天線單元,最外圈同心圓環(huán)上有12個(gè)天線單元，Ri> R2> R3分別是最內(nèi)圈、中間圈、最外圈同心圓環(huán)的半徑。如圖2所示,其中P是內(nèi)部加權(quán)參數(shù)，橫坐標(biāo)是歸一化半徑a的徑向坐標(biāo),縱坐標(biāo)是口徑場(chǎng)的幅度的大小，內(nèi)部加權(quán)參數(shù)P分別采用4. 5、7、8. 5，尺度變換加權(quán)的準(zhǔn)貝塞爾函數(shù)J1(Px)A的口徑場(chǎng)分布如圖2所示，口徑場(chǎng)分布關(guān)于口徑中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱。利用圓形口徑場(chǎng)分布和遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的關(guān)系，采用公式(I)
權(quán)利要求
1.一種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法的步驟如下 1)將天線陣列分布在圓形的口徑上，將口徑場(chǎng)分布在由兩個(gè)及以上同心圓環(huán)組成的同心圓陣列上，每ー個(gè)同心圓環(huán)上布置有天線單元，同一個(gè)同心圓環(huán)上至少有3個(gè)天線單元，同一個(gè)同心圓環(huán)上的天線單元中心對(duì)稱并均勻分布； 2)所述的口徑場(chǎng)分布通過(guò)基于貝塞爾函數(shù)的參數(shù)加權(quán)方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到賦形不同種類波束的連續(xù)口徑場(chǎng)分布； 3)將步驟2)得到的連續(xù)口徑場(chǎng)分布通過(guò)離散方法計(jì)算得到不同種類波束對(duì)應(yīng)的同心圓陣列中每ー個(gè)同心圓環(huán)的半徑和激勵(lì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的基于貝塞爾函數(shù)的參數(shù)加權(quán)方法采用貝塞爾函數(shù)的內(nèi)部加權(quán)或者外部加權(quán)，內(nèi)部加權(quán)采用尺度變換的方法，外部加權(quán)采用線性函數(shù)或者指數(shù)函數(shù)的方法。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在干所述的不同種類波束是筆形波束、平頂波束、等通量波束或差分波束。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在干所述的離散方法采用采樣離散方法或者口徑上電流分布累積函數(shù)計(jì)算方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在干所述的每ー個(gè)同心圓環(huán)的激勵(lì)都是實(shí)數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述的每ー個(gè)同心圓環(huán)的激勵(lì)利用功分器來(lái)實(shí)現(xiàn)，功分器采用多級(jí)饋電網(wǎng)絡(luò)方式，并利用微帶線或者帶狀線來(lái)實(shí)現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于貝塞爾函數(shù)的圓形口徑場(chǎng)分布的陣列天線的設(shè)計(jì)方法。將天線陣列分布在圓形的口徑上，口徑場(chǎng)分布在由兩個(gè)及以上同心圓環(huán)組成的同心圓陣列上，每個(gè)同心圓環(huán)上布置有天線單元，同一個(gè)同心圓環(huán)上天線單元至少有3個(gè)，并中心對(duì)稱均勻分布。所述的口徑場(chǎng)分布通過(guò)基于貝塞爾函數(shù)的參數(shù)加權(quán)方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到賦形不同種類波束的連續(xù)口徑場(chǎng)分布；通過(guò)離散方法計(jì)算得到不同種類波束對(duì)應(yīng)的同心圓陣列中每一個(gè)同心圓環(huán)的半徑和激勵(lì)。本發(fā)明避免了復(fù)雜和無(wú)序的多維優(yōu)化過(guò)程，得到一種確定性和快速的陣列天線布局和激勵(lì)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，可廣泛應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)，導(dǎo)航衛(wèi)星等陣列天線的分析與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)合下波束的快速賦型。
文檔編號(hào)H01Q21/00GK102683898SQ20121013607
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者冉立新, 徐魁文 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)