CN114899607A - 利用幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法。该方法通过调控天线阵列各单元的幅度，完成整个阵列的等效相位分布设计，最终实现对其辐射波束的赋形。相比于传统相控天线阵，本方法通过幅度控制其辐射波束，因此不再需要对相位进行控制，从而避免使用移相器、收发组件等器件，极大地简化了相控阵天线的波束控制难度。本发明所提出的幅控天线阵列，可覆盖传统相控天线阵的所有波束调控功能，同时幅控天线阵列摒弃了相位控制组件，可从根本上解决传统相控阵成本高的瓶颈问题。此外由于幅度可在宽频带上进行控制，本方法也可应用于天线阵列的宽频带波束控制中。

Description

利用幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法
技术领域
本发明涉及天线(H05B6/72)领域，具体是利用幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法。
背景技术
天线阵，特别是相控天线阵可以通过控制天线阵各天线单元的相位，实现对天线阵相位分布的调控，进而达到对所需辐射波束的赋形。如今，相控阵已成为阵列天线的主要研究方向，在电磁学、光学、声学等方面都有广泛的应用，例如在5G通信网络中，基于相控天线阵技术极大地提高了通信速率，扩大了通信规模，又如在军用雷达***中，利用相控天线阵可以实现对目标的高精度定位跟踪。然而，传统相控天线阵需要对每个天线单元进行相位控制，这不仅导致相控天线阵的设计复杂度大，实现难度高，更引发了相控阵天线的关键瓶颈，即由于相控天线阵需要大量的昂贵相控组件，相控天线阵的成本极高。此外，因为相控组件多为窄带工作，这限制了天线阵列的工作带宽。
发明内容
本发明为了解决现有技术的关键难题，提供了一种利用幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法。它不再需要对天线各单元进行相位控制，而只需要通过调控幅度即可实现对阵列辐射波束的赋形。如此便简化了传统相控天线阵中波束控制结构的设计复杂度，极大地降低了波束赋形类天线阵的设计成本，同时也为天线阵的宽带工作提供了理论性的解决途径。
本发明提供了一种幅控天线阵列，天线阵具有线阵或面阵的辐射口径，其中线阵可为任意排列的一维阵列，如直线阵、环形阵等，面阵为二维口径型辐射，可为矩形阵、圆形阵、环形阵及稀疏阵。与经典相控阵不同，阵列单元并不需要进行相控，而是通过周期性排列幅度可控的天线单元实现对天线辐射波束的调控。
进一步改进，所述的幅控天线阵列，其每个幅度可控的天线单元由两个子单元组成，分别定义为子单元1和子单元2，两个子单元具有相同的极化形式，以确保在电磁合成时能够获得所需的等效相位。极化形式可以为线极化、圆极化和椭圆极化。若子单元间的极化形式不同时，可利用极化分量设计所需极化的幅度分布。两个子单元的间距应小于一个工作波长，以确保不产生栅瓣。两个子单元的排列方向应根据阵列辐射赋形及安装环境需求具体确定。子单元1的幅度和相位分别为cos(α)和0，子单元2的幅度和相位分别为sin(α)和π/2，如此两个子单元组成的天线单元的等效辐射相位为α。由此可知，天线单元的相位α随着两子单元幅度的变化而变化，故幅度为可调控元素，可在波束调控过程中进行实时调控进而控制天线阵的辐射波束；两个子单元的相位在波束调控过程中不发生变化，故该π/2相位差为固定元素。需要说明的是，其它基于复变函数变换，可等效于cos(α)+sin(α)exp(iπ/2)的幅度和相位组合也可实现相同的等效相位。在这些组合中，子单元的个数可不限于两个。这是基于基本理论的常规性推导，故亦应属于本发明保护的范围。
进一步改进，所述的幅度可控的天线单元，两个子单元的固定元素，即其存在的π/2相位差，可以通过加设固定相移量(π/2)的移相网络，使得两子单元的输入相位具有π/2相位差即可；也可以在保证谐振频率、辐射方向图不变的前提下，通过设计各子单元的外形参数，控制两个子单元的辐射相位，获得其所需的π/2相位差。两个子单元的可调控元素，即两个子单元的幅度，可以通过在两个子单元后端加设动态可调的幅度控制元件来实现，如加设可控电阻、非线性器件、阻抗可调器件等控制输入到各子单元的电磁能量；也可以通过在两个子单元辐射结构上加设动态可调的幅度控制元件来控制各子单元辐射出的电磁能量。需要注意的是，由于正余弦的值可为负数，必要时需要加设反向器或开关等器件。
进一步改进，所述的幅控天线阵列，对α值分布的控制是实现波束赋形的主要手段。对于线阵，阵列单元沿一维方向线性周期排列，其α值的分布通过线阵方向的波束赋形需求计算获得；对于面阵，阵列单元沿二维方向周期性排列，根据天线阵的正交分离原理，其α值的分布可根据面阵两个正交方向的二维波束赋形需求分别确定。
本发明还提供了一种利用幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法，其包括以下步骤：
(1)根据天线阵的波束需求，计算天线阵所需的辐射相位分布，该分布可通过天线阵理论、天线阵波束赋形理论或复相加理论计算获得。在算得阵列中每个天线单元所需的相位值后，将之作为该单元的等效辐射相位；
(2)在单元设计方面，每个天线单元由两个子单元组成，分别定义为子单元1和子单元2，两个子单元需进行独立的幅度控制；
(3)根据每个单元所需的等效相位计算该单元两个子单元的幅度，若天线单元的相位需求为α时，子单元1的幅度和相位分别为cos(α)和0，子单元2的幅度和相位分别为sin(α)和π；
(4)各子单元的幅度通过加设动态可调的幅度控制元件进行控制，进而完成阵列中每个阵列单元的幅度控制，如此天线阵的等效辐射相位便可满足阵列辐射的需求。此过程可视为对天线阵的幅度加权赋形，最终实现所需电磁波束的辐射；
(5)当波束需要变化时，重复(1)到(4)的步骤，通过动态控幅元器件对天线阵各单元进行幅度控制，进而实现对幅度分布的实时调整，达到波束的动态控制。
进一步改进，所述的幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法，当控幅元器件的工作范围不能满足波束调控的实际需求时，可依据相位的参考特性对阵列的整体参考相位进行调整。这一调整分为两个方面，一方面可以调整天线单元的参考相位，即每个天线单元中单元1和单元2的相位由原来的0和π/2调整为L和L+π/2，如此天线单元的参考相位增加L；一方面可以调整幅控引起的参考相位，即天线单元中单元1和单元2的幅度由原来的cos(α)和sin(α)调整为cos(S+α)和sin(S+α)，如此天线单元的等效相位由α变为S+α。综上，若两者同时调整则天线单元的相位变化S+L。S和L的值可根据控幅元器件的工作动态适当选取。当阵列中所有天线单元做同步调整时，阵列只是参考相位发生变化，天线阵整体辐射波束保持不变。
本发明有益效果在于：
1、可通过调控幅度完成天线阵的波束赋形。
2、避免使用移相器、收发组件等高成本元器件，极大降低传统相控阵的成本。
3、降低传统相控阵的结构复杂度。
4、可实现阵列的宽带化工作。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是幅控天线阵列工作示意图。
图2是幅控天线阵列单元。
图3是幅控天线阵列的波束扫描图。
图4是幅控天线阵列的扫描角度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本发明一种具体实施方式如图1所示，在本发明利用幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法的实施例中，天线阵采用面阵口径的微带天线阵形式，它由8*8个微带天线单元组成，并在XOZ面上进行波束扫描。天线阵工作在5.8GHz，工作波长λ为52mm。每个天线单元由两个子单元组成，两个子单元沿+x方向排列，分别定义为子单元1和子单元2，子单元间的间距为15mm，如图2所示。子单元为振子形贴片天线，具有典型的贴片辐射特性，即沿+z方向辐射，其增益为6dB，E面和H面-3dB波束宽度为75°。如此，天线阵在x方向存在16个子单元，在y方向存在8个子单元。在x方向的天线阵元间距为30mm，在y方向的天线阵元间距为15mm，都小于一个工作波长。在本实施例中，天线沿x方向扫描，故在y方向不需要排布子单元；当需要在x和y两个方向进行扫描时，y方向的天线单元也需要由两个幅控的子单元组成，以确保在y方向看去，其相位也可通过幅度调控进行等效。
对于每个天线单元，其子单元1的馈电幅度和相位分别为cosα和0，子单元2的馈电幅度和相位分别为sinα和π/2，此时该天线单元的等效相位为α，即幅度参数α对应于等效相位值，故而我们可以通过每个天线单元的α值标定该天线单元。在本实施例中，根据欧拉公式exp(iα)＝cos(α)+i sin(α)的变形exp(iα)＝exp(0)cos(α)+exp(iπ/2)sin(α)计算两个子单元的幅度和相位，在其它应用中，也可以通过对上述公式进行数学展开以获得相同的等效相位。其具体方法为，exp(iα)＝exp(0)cos(α)+exp(iπ/2)sin(α)＝exp(0)(a+b+c+…)+exp(iπ/2)(a’+b’+c’+…)，其中cos(α)＝a+b+c+…，sin(α)＝a’+b’+c’+…，其物理意义为通过多个0相位的幅度等效合成exp(0)cos(α)项，通过多个π/2相位的幅度等效exp(iπ/2)sin(α)项。此外，各子单元相位差也可不限于π/2，其具体方法为，根据辐射叠加原理，若单元中存在N个子单元，当它们幅度和相位满足exp(iα)＝A1 exp(i P1)+A2 exp(i P2)+…ANexp(i PN)，单元等效相位为α，其中A1，P1为子单元1的幅度和相位，A2，P2为子单元2的幅度和相位，…AN，PN为子单元N的幅度和相位。此类方法是较为常规的设计思路，基于本发明提出的方法很容易得出此设计，故亦应属于本发明的保护范围。
利用这些天线单元组成天线阵，由于在本实施例中，天线阵沿XOZ面进行波束扫描，故而沿y方向的天线单元相同。在x方向上，我们将沿+x方向8个阵列单元分别定义为1st，2nd，3rd，4th，5th，6th，7th，8th，它们的α值分别为δ+γ，2δ+γ，3δ+γ，4δ+γ，5δ+γ，6δ+γ，7δ+γ，8δ+γ，其中γ是天线阵列的参考电平，可以为任意值，δ为α值的变化步长。在此列出各单元中每个子单元的幅度和相位值，见表I。
表I
Figure BDA0003616995030000051
当δ＝0时，阵列各幅控单元的等效相位相同，天线阵沿阵列法向进行辐射；当δ≠0时，阵列进行波束扫描，扫描角度为arcsin(-δ/kd)，其中k为波数，此处其值为2π/λ＝2π/52mm，d为阵元间距，由于天线阵在XOZ面扫描，故d的值为沿x方向的阵元间距，即30mm。在本实施例中，天线阵列的π/2相位通过一个固定长度的弯折线结构实现，其幅度是通过加载可控电阻进行调节，进而获得天线阵幅控赋形所需的幅度及相位分布。在其它应用中，通过引入±π/2移相器，可以调整天线单元的馈电相位，从而获得所需π/2相位差；还可利用天线辐射相位获得π/2相位差，具体为在不改变天线子单元的匹配及辐射性能的前提下，通过调整天线子单元的几何尺寸，获得相应的辐射相位差。这是基于传统电磁理论的应用性延伸，不应构成对本发明的不当限定。此外，在其它应用中，天线阵各子单元的幅度不仅可以通过引入可调损耗型器件，如本实施例中采用的可控电阻，还可以通过设计可调阻抗匹配器件等实现对幅度的调控。其具体方法为，通过可控元器件调整各子单元输入阻抗，从而实现对各子单元幅度控制。此类方法是较为常规的设计思路，基于本发明提出的方法很容易得出此设计，故亦应属于本发明的保护范围。
在本实施例中，γ选择为0，此值为参考相位，其数值的选取不影响辐射方向图，故可任意选取。根据本发明提出的方法，该值的调整可通过两个因素获得，即天线单元的相位因素和幅度因素。以等效相位为α的幅控天线单元为例，对于相位因素，若该天线单元中单元1和单元2的相位由原来的0和π/2调整为L和L+π/2，如此天线单元的参考相位增加L；对于幅度因素，若天线单元中单元1和单元2的幅度由原来的cos(α)和sin(α)调整为cos(S+α)和sin(S+α)，如此天线单元的等效相位由α变为S+α。综上，若两者同时调整则天线单元的相位变化S+L，此时的阵列参考相位γ＝S+L。当阵列中所有天线单元做同步调整时，阵列仅改变其参考相位，天线阵整体辐射波束保持不变。S和L的值是根据控幅元器件的工作动态适当选取的，其目的可以解决幅控元器件的工作动态不能覆盖阵列0参考相位时幅度需求的问题。
图3展示了本实施例中阵列的扫描结果。在本实施例中δ由-2π/3以π/6的步长变化到2π/3，其波束指向从θ＝35°变化到θ＝-35°。由该结果可知，通过调控阵面的幅度分布，阵列的波束发生了显著的波束扫描，从而实现了通过控制阵列幅度实现对天线阵波束赋形的预期效果。图4为本实施例中幅控天线阵列波束扫描角度与理论值之间的对比结果，由结果可知，两者具有高度的一致性，是对本方法的验证。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种幅控天线阵列，其特征在于：天线阵具有线阵或面阵的辐射口径，由幅度可控的天线单元周期性排列而成。
2.根据权利要求1所述的幅控天线阵列，其特征在于：每个幅度可控的天线单元由子单元1和子单元2这两个子单元组成，两个子单元的间距小于一个工作波长；子单元具有相同的极化形式；子单元1的幅度和相位分别为cos(α)和0，子单元2的幅度和相位分别为sin(α)和π/2，如此两个子单元组成的天线单元的等效相位为α。
3.根据权利要求2所述的幅度可控的天线单元，其特征在于：两个子单元间的π/2相位差为固定元素，即其不做调控，它通过加设固定相移量的移相网络控制其输入相位来实现，也可通过设计各子单元的外形参数控制其辐射相位来实现；两个子单元的幅度为可调控元素，用以控制天线单元的辐射相位，通过在子单元后端或在子单元辐射结构上加设动态可调的幅度控制元件进行控制。
4.根据权利要求1所述的幅控天线阵列，其特征在于：对于线阵，阵列单元沿一维方向周期性排列，其幅度参数值α的分布根据线阵方向的一维波束调控需求确定；对于面阵，阵列单元沿二维方向周期性排列，其幅度参数值α的分布根据面阵两个正交方向的二维波束调控需求分别确定。
5.一种利用如权利要求1-4所述的幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据天线阵的波束需求，计算天线阵所需的辐射相位分布，从而获得阵列中每个天线单元所需的相位值，并作为该天线单元的等效辐射相位值；
(2)每个天线单元由两个子单元组成，分别为子单元1和子单元2，两个子单元需进行独立的幅度控制；
(3)根据每个天线单元所需的等效相位值，当天线单元的相位需求为α时，子单元1的幅度和相位分别为cos(α)和0，子单元2的幅度和相位分别为sin(α)和π/2；
(4)各子单元的幅度通过加设动态可调的幅度控制元件进行控制，从而完成对整个天线阵的幅度加权赋形，实现所需电磁波束的辐射；
(5)当波束需要变化时，重复(1)到(4)的步骤，通过动态控幅元器件对天线阵幅度分布进行实时调整，进而实现对波束的动态控制。
6.根据权利要求5所述的利用如权利要求1-4所述的幅控天线阵列实现辐射波束赋形的方法，其特征在于：当控幅元器件的工作范围受限时，阵列各天线单元可进行同步调整，即对于等效相位为α的天线单元，子单元1的幅度和相位由cos(α)和0调整为cos(S+α)和L，同时子单元2的幅度和相位由sin(α)和π/2调整为sin(S+α)和L+π/2，如此则该天线单元等效相位变为S+L+α。对天线阵每个天线单元进行同步调整，天线阵辐射波束保持不变。
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