CN115133291A - 非规则天线子阵、相控阵天线及相控阵天线的设计方法 - Google Patents

非规则天线子阵、相控阵天线及相控阵天线的设计方法 Download PDF

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CN115133291A CN202210657822.1A CN202210657822A CN115133291A CN 115133291 A CN115133291 A CN 115133291A CN 202210657822 A CN202210657822 A CN 202210657822A CN 115133291 A CN115133291 A CN 115133291A
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韩玉朝
潘海波
王立发
李德才
王玉
彭同辉
***
连盼招
钟春斌
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Abstract

本发明提供一种非规则天线子阵、相控阵天线及相控阵天线的设计方法。非规则天线子阵包括：呈矩阵形式排布的多个天线单元，矩阵的每行和每列均包括至少两个天线单元，任意两个相邻天线单元之间距离相等；矩阵平面上设置至少一个射频接口，每个射频接口对应一个由任意四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元构成的天线组合，射频接口位于对应天线组合中四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的中心点，射频接口到四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的距离相等且与其中任一天线单元连接；对于任意一个天线单元，其至多与一个射频接口连接，其至少属于一个存在对应射频接口的天线组合。由本发明提供的非规则天线子阵组成的相控阵天线，能有效提高旁瓣抑制水平。

Description

非规则天线子阵、相控阵天线及相控阵天线的设计方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种非规则天线子阵、相控阵天线及相控阵天线的设计方法。
背景技术
近年来，随着有源相控阵天线技术的快速发展，其高功率、高效率的特征为大幅提升雷达作用距离提供了有效的技术途径，天线***在可靠性、隐身性、抗干扰能力和多目标跟踪能力等方面均有大幅提升。现有的相控阵天线中，可以通过以子阵为单元进行稀布的方式降低旁瓣电平，采用子阵稀布的方式最大的优点是可以降低复杂性和成本，但是这种布阵方式在旁瓣要求较高的场景中难以达到优化目标。
发明内容
本发明实施例提供了一种非规则天线子阵、相控阵天线及相控阵天线的设计方法，以解决现有技术中以子阵为单元进行相控阵天线稀布导致的旁瓣抑制水平不高且子阵稀布不灵活的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种非规则天线子阵，包括：
多个天线单元；
所述多个天线单元呈矩阵形式排布，所述矩阵的每行和每列均包括至少两个天线单元，任意两个相邻天线单元之间的距离相等；
所述矩阵平面上还设置有至少一个射频接口，每个射频接口均对应一个天线组合，所述天线组合由任意四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元构成，所述射频接口位于对应天线组合中四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的中心点，所述射频接口到四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的距离相等且与四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元中的任意一个天线单元连接；以及，对于任意一个天线单元，该天线单元至多与一个射频接口连接，并且该天线单元至少属于一个目标天线组合，所述目标天线组合为存在对应射频接口的天线组合。
第二方面，本发明实施例提供了一种相控阵天线，所述相控阵天线由多个基本规则天线子阵以及多个如上第一方面的非规则天线子阵组成；
其中，所述基本规则天线子阵包括多个呈矩阵形式排布的天线单元，每个天线单元均对应连接一个射频接口；所述多个基本规则天线子阵满布于所述相控阵天线阵面的中间位置，所述多个非规则天线子阵稀布于所述相控阵天线阵面的边缘位置。
在一种可能的实现方式中，所述非规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的间距与所述基本规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的间距相同。
在一种可能的实现方式中，所述非规则天线子阵与所述基本规则天线子阵的射频接口数量相同。
在一种可能的实现方式中，根据所述非规则天线子阵中各个射频接口连接的天线单元不同，将所述非规则天线子阵划分为不同种类；
所述相控阵天线中所述非规则天线子阵的种类不超过预设值。
在一种可能的实现方式中，所述基本规则天线子阵为由4个天线单元呈矩阵形式排布形成的2×2子阵，所述非规则天线子阵为由9个天线单元呈矩阵形式排布形成的3×3子阵。
在一种可能的实现方式中，所述非规则天线子阵的数量为48个，所述基本规则天线子阵的数量为72个。
第三方面，本发明实施例提供了一种相控阵天线的设计方法，所述方法用于生成如上第二方面或第二方面的任一种可能的实现方式所述的相控阵天线；
所述方法包括：
以相控阵天线中基本规则天线子阵的位置、非规则天线子阵的位置、以及每个非规则天线子阵中连接射频接口的天线单元的位置为优化变量，通过优化算法寻找各个所述优化变量的最优值，得到所述相控阵天线。
在一种可能的实现方式中，所述优化算法为遗传算法，通过所述遗传算法寻找各个所述优化变量的最优值，包括：
设置遗传算法的参数并生成初始种群；其中，所述初始种群中的每个个体均为一组优化变量，每组优化变量均包括基本规则天线子阵的位置、非规则天线子阵的位置、以及每个非规则天线子阵中连接射频接口的天线单元的位置；
计算每个个体对应的适应度值，并确定最大适应度值对应的个体；
对所述初始种群中的个体进行选择、交叉和变异，生成新的种群；
计算所述新的种群中每个个体对应的适应度值，并更新最大适应度值对应的个体，不断迭代，直至达到最大迭代次数；
根据所述最大适应度值对应的个体确定各个优化变量的最优值。
在一种可能的实现方式中，所述计算所述新的种群中每个个体对应的适应度值的公式为：
y＝abs(MSLL)
Figure BDA0003689026980000031
Figure BDA0003689026980000032
Figure BDA0003689026980000033
Figure BDA0003689026980000034
其中，y为所述计算所述新的种群中每个个体对应的适应度值的公式，abs表示绝对值函数，MSLL为俯仰向投影方向图最大旁瓣电平，S表示θ＝θ0、
Figure BDA0003689026980000035
时俯仰向投影方向图的旁瓣区间，ψ0表示半个主瓣宽度，Ftheta(θ)为相控阵天线阵面的俯仰向投影方向图函数，
Figure BDA0003689026980000036
为相控阵天线阵面的方向图函数，N1、N2分别表示相控阵天线中基本规则天线子阵的数量和非规则天线子阵的数量，dxi、dyi分别表示以相控阵天线阵面的中心为原点建立平面直角坐标系时，各个天线单元的横坐标、纵坐标，
Figure BDA0003689026980000041
表示单元场，j为复数的虚部的单位，k为相控阵天线工作频率对应的波数，
Figure BDA0003689026980000042
表示波束指向角。
本发明实施例提供一种非规则天线子阵，该非规则天线子阵包括多个天线单元；多个天线单元呈矩阵形式排布，矩阵的每行和每列均包括至少两个天线单元，任意两个相邻天线单元之间的距离相等；矩阵平面上还设置有至少一个射频接口，每个射频接口均对应一个天线组合，天线组合由任意四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元构成，射频接口位于对应天线组合中四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的中心点，射频接口到四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的距离相等且与四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元中的任意一个天线单元连接；以及，对于任意一个天线单元，该天线单元至多与一个射频接口连接，并且该天线单元至少属于一个目标天线组合，目标天线组合为存在对应射频接口的天线组合。由本发明实施例提供的非规则天线子阵组成的相控阵天线，可以实现以子阵为单元对相控阵天线稀布的同时还可以以天线为单元对相控阵天线稀布，能够提高天线单元优化的自由度，还可以有效提高旁瓣抑制水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的典型4阵元AiP封装示意图；
图2是本发明实施例提供的4阵元AiP构建的相控阵天线的阵面示例图；
图3是本发明实施例提供的4阵元AiP构建的相控阵天线的仿真方向图；
图4是本发明实施例提供的一种相控阵天线的阵面示例图；
图5是本发明实施例提供的一种相控阵天线的阵面示例图；
图6是本发明实施例提供的一类非规则天线子阵的原理示例图；
图7是本发明实施例提供的一种相控阵天线的阵面示例图；
图8是本发明实施例提供的一种相控阵天线的仿真方向图；
图9是本发明实施例提供的一类非规则天线子阵的原理示例图；
图10是本发明实施例提供的一类非规则天线子阵的原理示例图；
图11是本发明实施例提供的相控阵天线的设计方法的实现流程图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
以AiP形式子阵为例，对于包含多个天线的AiP(AntennainPackage)模块，将单个模块作为一个子阵，图1为本发明实施例提供的典型4阵元AiP封装示意图，如图1所示，每个模块中的天线单元通常采用矩形规则排列，天线间距稍大于半波长(取决于需要的无栅瓣扫描角度)。采用这种形式AiP子阵组成更大规模的相控阵，一般采用矩形规则排列，图2为本发明实施例提供的4阵元AiP构建的相控阵天线的阵面示例图，如图2所示，该相控阵天线是由4阵元AiP矩形排布阵，图3为本发明实施例提供的4阵元AiP构建的相控阵天线的仿真方向图，如图3所示，该相控阵天线的旁瓣抑制水平约为13dB。本发明主要目标是提出一种以子阵式AiP为基础的，具有更好的旁瓣抑制能力的组阵方式。
图4为本发明实施例提供的一种相控阵天线的阵面示例图，在现有技术中，如果对旁瓣抑制有更高要求，可以采用如图4所示的切角组阵方式构成的相控阵天线以提高旁瓣抑制能力。如果旁瓣抑制能力仍然达不到要求，可以根据指标进行天线综合，采用幅度加权方式将旁瓣抑制到需要的水平。幅度加权一般利用TR内部的数控衰减器实现，这是接收相控阵常用的波束赋形方式。
而对于发射相控阵，由于不希望损耗宝贵的发射功率，可以通过优化采用天线稀布的方式抑制旁瓣，图5为本发明实施例提供的一种相控阵天线的阵面示例图，如图5所示，该方式不但可以抑制旁瓣，还可以通过减少通道降低相控阵硬件成本，子阵可以像图5一样放在规则栅格内部，也可以通过优化随机摆放。
尽管图5中所示的布阵方式具有不浪费任何TR通道的优点，但是只能以子阵为单元进行稀布，而不是对每个天线任意稀布，该约束导致其优化效果不能达到最优，对于旁瓣要求较高场景难以达到优化目标。
基于此，本发明实施例提供了一种非规则天线子阵，该非规则天线子阵包括：多个天线单元。
多个天线单元呈矩阵形式排布，矩阵的每行和每列均包括至少两个天线单元，任意两个相邻天线单元之间的距离相等。
矩阵平面上还设置有至少一个射频接口，每个射频接口均对应一个天线组合，天线组合由任意四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元构成，射频接口位于对应天线组合中四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的中心点，射频接口到四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的距离相等且与四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元中的任意一个天线单元连接；以及，对于任意一个天线单元，该天线单元至多与一个射频接口连接，并且该天线单元至少属于一个目标天线组合，目标天线组合为存在对应射频接口的天线组合。
本实施例中，仅以以下具体实施示例解释说明非规则天线子阵的构造原理，而非对非规则天线子阵进行限定。图6为本发明实施例提供的一类非规则天线子阵的原理示例图，如图6所示，图6示出了9选4非规则天线子阵中的5种类型，该非规则天线子阵中包括9个天线单元，9个天线单元中包括4个有源天线单元(有源天线单元为与射频接口连接的天线单元)和5个寄生天线单元(寄生天线单元为不与射频接口连接的天线单元，也即非有源天线单元，在图6中以空白格示出；在实际设计非规则天线子阵时，非有源天线单元可以以寄生天线单元的形式存在；也可以直接去除非有源天线，只保留有源天线。)，9个天线单元呈矩阵形式排布，矩阵的每行和每列均包括3个天线单元，任意两个相邻天线单元之间的距离相等。矩阵平面上设置有4个射频接口，每个射频接口均对应一个由任意4个呈矩阵形式排布的相邻天线单元构成的天线组合，射频接口位于对应天线组合中4个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的中心点，射频接口到4个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的距离相等且与4个呈矩阵形式排布的相邻天线单元中的任意一个天线单元连接，对于非规则天线子阵中任意一个天线单元，该天线单元最多与一个射频接口连接，并且该天线单元至少属于一个存在对应射频接口的天线组合。
本实施例中，为保证非规则天线子阵中的射频接口到其四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元满足等相位的条件，限定了非规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的距离相等，进一步地，在等相位的约束条件下，可以衍生出多种非规则天线子阵。由多种非规则天线子阵构成的相控阵天线，可以实现以子阵为单元对相控阵天线进行稀布，也可以实现以天线单元为单位对相控阵天线进行稀布，有效提高了天线单元优化的自由度和旁瓣抑制能力。
本发明实施例提供一种非规则天线子阵，该非规则天线子阵包括多个天线单元；多个天线单元呈矩阵形式排布，矩阵的每行和每列均包括至少两个天线单元，任意两个相邻天线单元之间的距离相等；矩阵平面上还设置有至少一个射频接口，每个射频接口均对应一个天线组合，天线组合由任意四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元构成，射频接口位于对应天线组合中四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的中心点，射频接口到四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的距离相等且与四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元中的任意一个天线单元连接；以及，对于任意一个天线单元，该天线单元至多与一个射频接口连接，并且该天线单元至少属于一个目标天线组合，目标天线组合为存在对应射频接口的天线组合。由本发明实施例提供的非规则天线子阵组成的相控阵天线，可以实现以子阵为单元对相控阵天线稀布的同时还可以以天线为单元对相控阵天线稀布，能够提高天线单元优化的自由度，还可以有效提高旁瓣抑制水平。
本发明实施例提供了一种相控阵天线，相控阵天线由多个基本规则天线子阵以及多个非规则天线子阵组成。
其中，基本规则天线子阵包括多个呈矩阵形式排布的天线单元，每个天线单元均对应连接一个射频接口；多个基本规则天线子阵满布于相控阵天线阵面的中间位置，多个非规则天线子阵稀布于相控阵天线阵面的边缘位置。
本实施例中，仅以以下具体实施示例解释说明相控阵天线的布阵原理，而非对相控阵天线进行限定。图7为本发明实施例提供的一种相控阵天线的阵面示例图，图8为本发明实施例提供的一种相控阵天线的仿真方向图，请一并参考图7和图8，根据天线综合原理，具有低旁瓣的幅度加权分布具有中心衰减少，边缘衰减大的特点，基于此，设计如下相控阵天线布阵思路：用多个基本规则天线子阵在相控阵天线阵列的中间位置满阵布阵，用多个非规则天线子阵在相控阵天线阵列的边缘位置稀布布阵，具体地，多个非规则天线子阵的子阵排列位置和非规则天线子阵中与射频接口连接的天线单元的位置通过算法优化得到。优化算法可以为遗传算法、粒子群算法或其他优化算法，本申请对此不作限定。
如图7所示，仅以图7中所示的相控阵天线为示例，并非对相控阵天线的组成进行限定。若以图7所示的相控阵天线阵面的中心为原点建立平面直角坐标系，则相控阵天线将被划分至四个象限，并且四个象限中子阵的排列位置成镜像对称分布，也即第一象限中所包含的部分相控阵天线与第二象限中所包含的部分相控阵天线关于Y轴镜像对称，第一象限中所包含的部分相控阵天线与第四象限中所包含的部分相控阵天线关于X轴镜像对称，第一象限中所包含的部分相控阵天线与第三象限中所包含的部分相控阵天线关于原点中心对称。相控阵天线中的各个子阵间没有重叠。考虑到降低相控阵天线阵列布局工艺复杂度的问题，常常仅对四象限中的一个象限(例如第一象限)中的子阵位置和子阵种类进行优化，如此一来，算法的计算复杂度也有效减小。但是，在实际设计相控阵天线时，为了保证有效提高相控阵天线的旁瓣抑制能力，也可以直接采用对整个相控阵天线阵列中各子阵位置和子阵种类进行优化的方式，来布局相控阵天线阵列，这种情况下，若以设计好的相控阵天线的阵面中心为原点建立平面直角坐标系，被划分至四个象限中的部分相控阵天线可能并不是镜像对称分布的。
本实施例中，以子阵为单元对相控阵天线进行稀布，在减少子阵数量以降低相控阵天线硬件成本的同时有效提高了旁瓣抑制水平，使得优化后的相控阵天线具有更好的旁瓣抑制能力。
可选的，作为本发明实施例提供的相控阵天线的一种具体实施方式，非规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的间距与基本规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的间距相同。
本实施例中，请参照图7，仅以图7中相控阵天线为例，并非限定。图7中的相控阵天线由多个9选4非规则天线子阵与多个基本规则天线子阵组合而成，9选4非规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的距离与基本规则天线子阵中任意两个天线单元之间的距离相等。通常情况下，非规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的距离与基本规则天线子阵中任意两个天线单元之间的距离为0.5λ-0.7λ，其中λ为相控阵天线的工作频率对应的波长。
以图7中的相控阵天线应用于相控阵体制雷达为例，在相控阵体制雷达中，T/R组件一端接天线，一端接中频处理单元构成一个无线收发***，该无线收发***的功能就是对信号进行放大、移相、衰减。图7所示的相控阵天线中，是由基本规则天线子阵和9选4非规则天线子阵排列组成，基本规则天线子阵是由4个天线单元呈矩阵形式排布形成的2×2子阵，9选4非规则天线子阵是由9个天线单元呈矩阵形式排布形成的3×3子阵。9选4非规则天线子阵与基本规则天线子阵可以使用相同的T/R组件，T/R组件上的射频接口连接到对应的天线单元的距离相等。进一步地，实际设计相控阵天线时，非规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的间距与基本规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的间距也可以不相同。在相控阵天线的实际设计过程中，各个子阵中任意两个相邻天线单元之间的距离的选择跟天线单元的尺寸、阵列辐射方向图的波瓣宽度等因素有关，因此，在满足有效提高相控阵天线的旁瓣抑制能力的要求下，对于每一个相控阵天线阵列中非规则天线子阵和基本规则天线子阵两类子阵，非规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的距离与基本规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的距离可以不相同，只要保证同一类子阵的射频接口连接到其对应的天线组合中四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的距离相等，满足等相位的要求即可。
可选的，作为本发明实施例提供的相控阵天线的一种具体实施方式，非规则天线子阵与基本规则天线子阵的射频接口数量相同。
本实施例中，如图7所示的相控阵天线，9选4非规则天线子阵与基本规则天线子阵的射频接口数量相同。进一步地，在实际设计相控阵天线时，相控阵天线中非规则天线子阵与基本规则天线子阵的射频接口数量也可以不相同。图9为本发明实施例提供的一类非规则天线子阵的原理示例图，请参照图9，图9示出了4种6选4非规则天线子阵，该非规则天线子阵的射频接口数量为2个。以图9示出的6选4非规则天线子阵和基本规则天线子阵构建相控阵天线为例，用多个基本规则天线子阵在相控阵天线阵列的中间位置满阵布阵，用多个6选4非规则天线子阵在相控阵天线阵列的边缘位置稀布布阵，具体地，多个6选4非规则天线子阵的子阵排列位置和6选4非规则天线子阵中与射频接口连接的天线单元的位置通过算法优化得到。优化算法可以为遗传算法、粒子群算法或其他优化算法，本申请对此不作限定。在该相控阵天线中，所采用的两类子阵中射频接口数量并不相同。
可选的，作为本发明实施例提供的相控阵天线的一种具体实施方式，根据非规则天线子阵中各个射频接口连接的天线单元不同，将非规则天线子阵划分为不同种类。
相控阵天线中非规则天线子阵的种类不超过预设值。
本实施例中，以图6所示的9选4非规则天线子阵为例，9选4非规则天线子阵中各个射频接口所连接的天线单元不同，所形成的非规则天线子阵也不相同，为了保证相控阵天线的各非规则天线子阵中的每个射频接口连接到其对应的四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元满足等相位的条件，设定了9选4非规则天线子阵中4个射频接口所要连接的天线单元的位置不允许出现最外行或者最外列三个天线单元被同时选中连接的约束条件。在此基础上，可供选择的9选4非规则天线子阵的种类有C9 4-4＝122种，进一步地，为了降低工艺复杂度和制造成本，通常选取的9选4非规则天线子阵的种类不超过5种。图9为本发明实施例提供的一类非规则天线子阵的原理示例图，图10为本发明实施例提供的一类非规则天线子阵的原理示例图，请一并参照图9和图10，图9中为6选2非规则天线子阵的多个示例，图10中为16选4非规则天线子阵的多个示例，在设计相控阵天线的过程中，为降低工艺复杂度，可以依实际情况选取合适种类和合适数量的非规则天线子阵。
本实施例中，为了进一步提高相控阵天线的旁瓣抑制能力，根据非规则天线子阵中各个射频接口连接的天线单元不同，将非规则天线子阵划分为不同种类，每一种非规则天线子阵中都可以实现以每个天线单元为单位对相控阵天线进行稀布，有效提高了天线优化的自由度，也有效提高了相控阵天线的旁瓣抑制能力。
可选的，作为本发明实施例提供的相控阵天线的一种具体实施方式，基本规则天线子阵为由4个天线单元呈矩阵形式排布形成的2×2子阵，非规则天线子阵为由9个天线单元呈矩阵形式排布形成的3×3子阵。
请参照图7，本实施例中，基本规则天线子阵是由4个天线单元呈矩阵形式排布形成的2×2子阵，9选4非规则天线子阵是由9个天线单元呈矩阵形式排布形成的3×3子阵。
可选的，请参照图7，作为本发明实施例提供的相控阵天线的一种具体实施方式，本实施例中，相控阵天线中9选4非规则天线子阵的数量为48个，基本规则天线子阵的数量为72个。该相控阵天线为480单元规模的低副瓣稀布阵。
本发明实施例提供了一种相控阵天线的设计方法，该方法用于生成如上的相控阵天线或以上任一种可能的实现方式中所述的相控阵天线。
该方法包括：
以相控阵天线中基本规则天线子阵的位置、非规则天线子阵的位置、以及每个非规则天线子阵中连接射频接口的天线单元的位置为优化变量，通过优化算法寻找各个优化变量的最优值，得到相控阵天线。
本实施例中，图11为本发明实施例提供的相控阵天线的设计方法的实现流程图，请一并参照图7和图11。本实施例中，提供了多约束条件下的子阵级混合布局遗传算法以设计相控阵天线，以构建图7所示的相控阵天线为例，图7中相控阵天线的子阵类型包括基本规则天线子阵和非规则天线子阵的相控阵天线，考虑到阵列辐射方向图在空间的对称性，在设计相控阵天线时，以相控阵天线的中心作为原点构建平面直角坐标系，相控阵天线被平均划分至四个象限，整个阵面呈四象限镜像对称分布结构，又考虑到降低相控阵天线阵列布局工艺复杂度的问题，因此仅对四象限中的一个象限(例如第一象限)中的子阵位置和子阵种类进行优化即可，如此一来，计算复杂度也有效减小。如图7所示，相控阵天线的中间位置由2×2子阵满布，相控阵天线的边缘位置由9选4非规则天线子阵稀布，以相控阵天线中2×2子阵的位置、9选4非规则天线子阵的稀疏位置、以及每个9选4非规则天线子阵中连接射频接口的天线单元的选取位置为优化变量，通过遗传算法寻找各个优化变量的最优值，得到相控阵天线。进一步地，优化算法还可以为粒子群算法或其他优化算法，本申请对此不作限定。
本实施例中，经过多约束条件下选择、交叉、变异等遗传操作，对相控阵天线中的2×2子阵的位置、9选4非规则天线子阵的稀疏位置、以及每个9选4非规则天线子阵中连接射频接口的天线单元的选取位置进行优化，得到优化后的最优相控阵天线。请参照图8，通过仿真得到了该最优相控阵天线的归一化方向图，从图里可以得出，该最优相控阵天线的旁瓣电平达到了-24.5dB，有效提高了相控阵天线的旁瓣抑制能力。
可选的，作为本发明实施例提供的相控阵天线的设计方法的一种具体实施方式，优化算法为遗传算法，通过遗传算法寻找各个所述优化变量的最优值，包括：
设置遗传算法的参数并生成初始种群；其中，初始种群中的每个个体均为一组优化变量，每组优化变量均包括基本规则天线子阵的位置、非规则天线子阵的位置、以及每个非规则天线子阵中连接射频接口的天线单元的位置。
计算每个个体对应的适应度值，并确定最大适应度值对应的个体。
对初始种群中的个体进行选择、交叉和变异，生成新的种群。
计算新的种群中每个个体对应的适应度值，并更新最大适应度值对应的个体，不断迭代，直至达到最大迭代次数。
根据最大适应度值对应的个体确定各个优化变量的最优值。
可选的，作为本发明实施例提供的相控阵天线的设计方法的一种具体实施方式，计算所述新的种群中每个个体对应的适应度值的公式为：
y＝abs(MSLL)
Figure BDA0003689026980000131
Figure BDA0003689026980000132
Figure BDA0003689026980000133
Figure BDA0003689026980000134
其中，y为所述计算所述新的种群中每个个体对应的适应度值的公式，abs表示绝对值函数，MSLL为俯仰向投影方向图最大旁瓣电平，S表示θ＝θ0、
Figure BDA0003689026980000144
时俯仰向投影方向图的旁瓣区间，ψ0表示半个主瓣宽度，Ftheta(θ)为相控阵天线阵面的俯仰向投影方向图函数，
Figure BDA0003689026980000145
为相控阵天线阵面的方向图函数，N1、N2分别表示相控阵天线中基本规则天线子阵的数量和非规则天线子阵的数量，dxi、dyi分别表示以相控阵天线阵面的中心为原点建立平面直角坐标系时，各个天线单元的横坐标、纵坐标，
Figure BDA0003689026980000146
表示单元场，j为复数的虚部的单位，k为相控阵天线工作频率对应的波数，
Figure BDA0003689026980000147
表示波束指向角。
本实施例中，以图7所示的相控阵天线为例，以该相控阵天线阵面的中心为原点建立平面直角坐标系XOY，则相控阵天线阵列的方向图函数为：
Figure BDA0003689026980000141
其中，
Figure BDA0003689026980000148
为相控阵天线阵面的方向图函数，N1、N2分别表示相控阵天线中基本规则天线子阵的数量和非规则天线子阵的数量，dxi、dyi分别表示以相控阵天线阵面的中心为原点建立平面直角坐标系时，各个天线单元的横坐标、纵坐标，
Figure BDA0003689026980000149
表示单元场，j为复数的虚部的单位，k为相控阵天线工作频率对应的波数，
Figure BDA00036890269800001410
表示波束指向角。根据最大旁瓣电平(MSLL)的定义，为保证方向图在辐射空间内全向低副瓣，取适应度函数为俯仰向投影方向图最大旁瓣电平MSLL：
Figure BDA0003689026980000142
其中，Ftheta(θ)为相控阵天线阵面的俯仰向投影方向图函数，max表示求最大值函数，S表示θ＝θ0、
Figure BDA00036890269800001411
时俯仰向投影方向图的旁瓣区间，俯仰向投影方向图的主瓣零功率点为2ψ0，则
Figure BDA0003689026980000143
优化目标设为：max(abs(MSLL))，其中abs表示绝对值函数。经过多约束条件下的选择、交叉、变异等遗传操作，得到的最优稀疏阵的整阵布局如图7所示，该相控阵天线阵列的中间部分采用2×2子阵满阵布阵，边缘位置采用5种3×3子阵稀布布阵，该相控阵天线的仿真方向图如图8所示，其旁瓣电平达到了-24.5dB，大大降低了相控阵天线阵列的副瓣。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非规则天线子阵，其特征在于，包括：
多个天线单元；
所述多个天线单元呈矩阵形式排布，所述矩阵的每行和每列均包括至少两个天线单元，任意两个相邻天线单元之间的距离相等；
所述矩阵平面上还设置有至少一个射频接口，每个射频接口均对应一个天线组合，所述天线组合由任意四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元构成，所述射频接口位于对应天线组合中四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的中心点，所述射频接口到四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元的距离相等且与四个呈矩阵形式排布的相邻天线单元中的任意一个天线单元连接；以及，对于任意一个天线单元，该天线单元至多与一个射频接口连接，并且该天线单元至少属于一个目标天线组合，所述目标天线组合为存在对应射频接口的天线组合。
2.一种相控阵天线，其特征在于，所述相控阵天线由多个基本规则天线子阵以及多个如权利要求1所述的非规则天线子阵组成；
其中，所述基本规则天线子阵包括多个呈矩阵形式排布的天线单元，每个天线单元均对应连接一个射频接口；所述多个基本规则天线子阵满布于所述相控阵天线阵面的中间位置，所述多个非规则天线子阵稀布于所述相控阵天线阵面的边缘位置。
3.如权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，所述非规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的间距与所述基本规则天线子阵中任意两个相邻天线单元之间的间距相同。
4.如权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，所述非规则天线子阵与所述基本规则天线子阵的射频接口数量相同。
5.如权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，根据所述非规则天线子阵中各个射频接口连接的天线单元不同，将所述非规则天线子阵划分为不同种类；
所述相控阵天线中所述非规则天线子阵的种类不超过预设值。
6.如权利要求2所述的相控阵天线，其特征在于，所述基本规则天线子阵为由4个天线单元呈矩阵形式排布形成的2×2子阵，所述非规则天线子阵为由9个天线单元呈矩阵形式排布形成的3×3子阵。
7.如权利要求6所述的相控阵天线，其特征在于，所述非规则天线子阵的数量为48个，所述基本规则天线子阵的数量为72个。
8.一种相控阵天线的设计方法，其特征在于，所述方法用于生成如权利要求2-7任一项所述的相控阵天线；
所述方法包括：
以相控阵天线中基本规则天线子阵的位置、非规则天线子阵的位置、以及每个非规则天线子阵中连接射频接口的天线单元的位置为优化变量，通过优化算法寻找各个所述优化变量的最优值，得到所述相控阵天线。
9.如权利要求8所述的相控阵天线的设计方法，其特征在于，所述优化算法为遗传算法，通过所述遗传算法寻找各个所述优化变量的最优值，包括：
设置遗传算法的参数并生成初始种群；其中，所述初始种群中的每个个体均为一组优化变量，每组优化变量均包括基本规则天线子阵的位置、非规则天线子阵的位置、以及每个非规则天线子阵中连接射频接口的天线单元的位置；
计算每个个体对应的适应度值，并确定最大适应度值对应的个体；
对所述初始种群中的个体进行选择、交叉和变异，生成新的种群；
计算所述新的种群中每个个体对应的适应度值，并更新最大适应度值对应的个体，不断迭代，直至达到最大迭代次数；
根据所述最大适应度值对应的个体确定各个优化变量的最优值。
10.如权利要求9所述的相控阵天线的设计方法，其特征在于，所述计算所述新的种群中每个个体对应的适应度值的公式为：
y＝abs(MSLL)
Figure FDA0003689026970000031
Figure FDA0003689026970000032
Figure FDA0003689026970000033
Figure FDA0003689026970000034
其中，y为所述计算所述新的种群中每个个体对应的适应度值的公式，abs表示绝对值函数，MSLL为俯仰向投影方向图最大旁瓣电平，S表示θ＝θ0、
Figure FDA0003689026970000035
时俯仰向投影方向图的旁瓣区间，ψ0表示半个主瓣宽度，Ftheta(θ)为相控阵天线阵面的俯仰向投影方向图函数，
Figure FDA0003689026970000036
为相控阵天线阵面的方向图函数，N1、N2分别表示相控阵天线中基本规则天线子阵的数量和非规则天线子阵的数量，
Figure FDA0003689026970000037
分别表示以相控阵天线阵面的中心为原点建立平面直角坐标系时，各个天线单元的横坐标、纵坐标，
Figure FDA0003689026970000038
表示单元场，j为复数的虚部的单位，k为相控阵天线工作频率对应的波数，
Figure FDA0003689026970000039
表示波束指向角。
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