專利名稱：基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法
技術領域：
本發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的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法。
背景技術：
隨著無線通信的飛速發展，單個天線已經不能滿足對于遠場波瓣圖的控制，例如，常見的反射面天線等不能很好控制口徑上的激勵，缺乏對遠場的波束成形的控制，而單個微帶，螺旋天線又不能滿足增益上等的要求。近年來，天線陣列技術廣泛應用于雷達、衛星通信等系統中，但是由于在陣列天線的設計中，要得到陣元的位置和激勵，往往通過ー些全局優化算法(遺傳算法、粒子群算法、差分進化算法等)來實現，耗費的時間隨著陣元的増加，呈現指數級增加，而且最后結果不一定是最優的結果，對于稍微大的陣列實現效率非常之低。口徑綜合方法是ー種基于口徑場分布與遠場分布關系的方法，廣泛應用于大型ロ徑面的設計如平面天線、拋物面反射面天線等設計，和傳統的陣列天線優化算法設計相比，具有一定的優越性，但是該方法只局限于ー種波束賦形的設計，不能對不同種類的波束實現快速切換。
發明內容
本發明的目的是提供一種基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法，能對不同種類的波束實現快速切換。本發明解決其技術問題所采用的技術方案步驟如下I)將天線陣列分布在圓形的口徑上，將口徑場分布在由兩個及以上同心圓環組成的同心圓陣列上，每ー個同心圓環上布置有天線單元，同一個同心圓環上至少有3個天線單元，同一個同心圓環上的天線單元中心對稱并均勻分布；2)所述的口徑場分布通過基于貝塞爾函數的參數加權方法進行調節，得到賦形不同種類波束的連續口徑場分布；3)將步驟2)得到的連續口徑場分布通過離散方法計算得到不同種類波束對應的同心圓陣列中每ー個同心圓環的半徑和激勵。所述的基于貝塞爾函數的參數加權方法采用貝塞爾函數的內部加權或者外部加權，內部加權采用尺度變換的方法，外部加權采用線性函數或者指數函數的方法。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計算方法。所述的每ー個同心圓環的激勵都是實數。所述的每ー個同心圓環的激勵利用功分器來實現，功分器采用多級饋電網絡方式，并利用微帶線或者帶狀線來實現。本發明具有的有益的效果是
該方法能快速評估某ー個口徑面上通過同心圓陣列實現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，首先通過加權的方法得到合適的準貝塞爾函數的連續口徑分布，然后離散得到同心圓陣列，避免了復雜的隨機優化算法，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計帶來了方便，圓形口徑由于其很好的対稱性，使得其廣泛應用在各種場合中。
圖I是圓形口徑的遠場輻射原理圖。圖2是尺度變換加權的準貝塞爾函數J1 (Px)/x的ー種口徑場分布圖。圖3是尺度變換加權的準貝塞爾函數J1 (Px)/x的ー種遠場輻射圖。圖4是同心圓陣列的ー種基本實現結構圖。 圖5是功分器中的饋電網絡的ー種基本結構圖。圖中1、輸入端ロ，2、第一層饋電網絡的輸出口，3、第一層饋電網絡，4、第二層饋電網絡。
具體實施例方式本發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，將口徑場分布在由兩個及以上同心圓環組成的同心圓陣列上，每ー個同心圓環上布置有天線單元，同一個同心圓環上至少有3個天線單元，同一個同心圓環上的天線單元中心對稱并均勻分布；2)所述的口徑場分布通過基于貝塞爾函數的參數加權方法進行調節，得到賦形不同種類波束的連續口徑場分布；3)將步驟2)得到的連續口徑場分布通過離散方法計算得到不同種類波束對應的同心圓陣列中每ー個同心圓環的半徑和激勵。所述的基于貝塞爾函數的參數加權方法采用貝塞爾函數的內部加權或者外部加權，內部加權采用尺度變換的方法，外部加權采用線性函數或者指數函數的方法。所述的內部加權參數必須大于0，通過調節內部加權參數的大小，調節波束寬度和改變整個波束的形狀，內部加權參數越大波束越寬，當內部加權參數趨向于無窮小時，等同于等幅同相激勵。要實現不同的波束賦形，線性函數加權和指數函數加權需要與所述的準貝塞爾函數一起建模、優化，得到所需的連續ロ徑場分布。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計算方法。所述的每ー個同心圓環的激勵都是實數。每個同心圓環上的天線單元的數量是由每個同心圓環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；根據優化得到的連續口徑場分布，采用同心圓結構，每個同心圓環上的激勵的幅度和相位相等，同心圓環的數量是由整個口徑的大小和天線單元本身的大小決定，任意相鄰兩個天線單元之間的距離大于等于半波長。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是遠場測量點距離圓形口徑中心的距離，β是同心圓環的輻射單元的極坐標下的角度，P是同心圓環的徑向距離，(1β和dp分別是輻射單元在徑向和角度上的大小，P(r，θ, φ)是遠場輻射能量分布。實施例如圖4所示，采用由三個同心圓環組成的同心圓陣列布局結構。最內圈同心圓環上有4個天線單元，中間圈同心圓環上有8個天線單元,最外圈同心圓環上有12個天線單元，Ri> R2> R3分別是最內圈、中間圈、最外圈同心圓環的半徑。如圖2所示,其中P是內部加權參數，橫坐標是歸一化半徑a的徑向坐標,縱坐標是口徑場的幅度的大小，內部加權參數P分別采用4. 5、7、8. 5，尺度變換加權的準貝塞爾函數J1(Px)A的口徑場分布如圖2所示，口徑場分布關于口徑中心旋轉對稱。利用圓形口徑場分布和遠場輻射的關系，采用公式(I)
權利要求
1.一種基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法，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，將口徑場分布在由兩個及以上同心圓環組成的同心圓陣列上，每ー個同心圓環上布置有天線單元，同一個同心圓環上至少有3個天線單元，同一個同心圓環上的天線單元中心對稱并均勻分布； 2)所述的口徑場分布通過基于貝塞爾函數的參數加權方法進行調節，得到賦形不同種類波束的連續口徑場分布； 3)將步驟2)得到的連續口徑場分布通過離散方法計算得到不同種類波束對應的同心圓陣列中每ー個同心圓環的半徑和激勵。
2.根據權利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法，其特征在于所述的基于貝塞爾函數的參數加權方法采用貝塞爾函數的內部加權或者外部加權，內部加權采用尺度變換的方法，外部加權采用線性函數或者指數函數的方法。
3.根據權利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法，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.根據權利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法，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計算方法。
5.根據權利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法，其特征在干所述的每ー個同心圓環的激勵都是實數。
6.根據權利要求I所述的ー種基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法，其特征在于所述的每ー個同心圓環的激勵利用功分器來實現，功分器采用多級饋電網絡方式，并利用微帶線或者帶狀線來實現。
全文摘要
本發明公開了一種基于貝塞爾函數的圓形口徑場分布的陣列天線的設計方法。將天線陣列分布在圓形的口徑上，口徑場分布在由兩個及以上同心圓環組成的同心圓陣列上，每個同心圓環上布置有天線單元，同一個同心圓環上天線單元至少有3個，并中心對稱均勻分布。所述的口徑場分布通過基于貝塞爾函數的參數加權方法進行調節，得到賦形不同種類波束的連續口徑場分布；通過離散方法計算得到不同種類波束對應的同心圓陣列中每一個同心圓環的半徑和激勵。本發明避免了復雜和無序的多維優化過程，得到一種確定性和快速的陣列天線布局和激勵參數的實現方法，可廣泛應用于相控陣雷達，導航衛星等陣列天線的分析與設計，實現不同場合下波束的快速賦型。
文檔編號H01Q21/00GK102683898SQ20121013607
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月2日 優先權日2012年5月2日
發明者冉立新, 徐魁文 申請人:浙江大學