一种大间距宽角扫描相控阵天线设计方法及系统

技术领域

本发明涉及阵列天线设计技术领域，具体涉及一种大间距宽角扫描相控阵天线设计方法及系统。

背景技术

随着相控阵技术的发展，在保证阵列性能的前提下，低成本越来越获得学者的关注。除了通过提升工艺来降低成本的方式外，另一个有效的方式为采取阵面稀疏布局形式，减少工作通道，最终达到降低系统成本的目的。稀疏阵列本质上为非周期阵列天线，即阵元呈现非周期性排列的规律，这种阵列除了能够降低阵列的设计成本，还可以降低阵列旁瓣电平和提高阵列的分辨率。本质上稀疏阵列可以减少通道数，原因在于拉大了单元间距，降低了单位面积内的单元数。

随着雷达和通信系统的发展，集多功能于一体的相控阵系统成了热门。为满足多功能应用需求，该系统常需满足宽角扫描的性能，为干扰和侦查提供更宽的空域。传统的相控阵天线通常仅具有上半空间内垂直于阵列方向一定角度的扫描范围，当扫描角度大于该角度时，阵列的扫描特性急剧下降，并伴随有旁瓣电平的上升及其他远场性能的恶化。因此，如果在满足相控阵系统低成本的前提下，实现宽角扫描的相控阵性能成了设计难点。上述问题亟待解决，为此，提出一种大间距宽角扫描相控阵天线设计方法及系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：在满足拉大单元间距的前提下如何实现阵列天线的宽角扫描性能，提供了一种大间距宽角扫描相控阵天线设计方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：阵面区域划分

在确定阵元可排布区域的形状和尺寸后，以排布区域为圆形设计，对阵面区域进行划分并优化，得到多个扇形区域；

S2：区域阵元密集排布

根据已完成天线单元的优化仿真，确定天线单元最终模型的外形和尺寸，通过测量获得天线单元的最大尺寸；根据最大尺寸和拉大间距的期望值，确定密集排布的最小阵元间距；根据该最小阵元间距进行密集阵元排布和筛选，进而确定单个扇形区域内的阵元排布；

S3：有效元随机抽选

根据已获得的单个扇形区域阵元的排布信息，抽选最终激励的阵元；

S4：阵元调整

基于已抽选的阵元位置，对每个阵元进行位置调整；

S5：迭代计算

重新生成随机参数并重复步骤S1～S4，根据进化算法进行迭代和计算。

更进一步地，在所述步骤S1中，每个扇形区域的形状和尺寸完全相同，每个扇形区域内的阵元位置排布完全相同，任何一个扇形区域均能够通过其他任何一个扇形区域旋转获得。

更进一步地，在所述步骤S1中，将阵面区域划分的扇形区域数N0设置为待优化参数，优化时产生一随机数，对该数值取整，并以该整数为分块扇形数，即扇形区域数N0。

更进一步地，在所述步骤S2中，具体过程如下：

S21：根据已完成天线单元的优化仿真，确定天线单元最终模型的外形和尺寸，通过测量获得天线单元的最大尺寸；根据最大尺寸和拉大间距的期望值，确定密集排布的最小阵元间距；

S22：确定方形区域，确定时需满足条件：方形区域的边长需大于扇形半径，并在面积和两维尺寸上能够完全覆盖单个扇形区域；

S23：按照步骤S21中确定的最小阵元间距，在方形区域内进行阵元密集排布，相邻阵元间距大于或等于最小阵元间距；

S24：根据方形区域内的密集阵元排布位置，通过约束条件筛选确定扇形区域内的阵元，进而确定单个扇形区域内的阵元排布。

更进一步地，在所述步骤S23中，排布方式为矩形栅格或三角栅格。

更进一步地，：在所述步骤S24中，具体筛选过程为：分别计算方形区域内的每个阵元距离原点的距离以及阵元和原点连线与x轴的夹角，设置筛选条件为阵元距离满足小于或等于扇形半径，且阵元夹角满足小于或等于扇形圆心角。

更进一步地，在所述步骤S3中，有效元随机抽选的具体过程如下：

S31：生成N2个随机数，每个随机数的取值范围为0.5～N1+0.5，对这些随机数进行四舍五入取整；

S32：判断这些取整后的整数是否互异，如互异则满足要求进入所述步骤S33，不互异则重新生成随机数并重复步骤S31；

S33：根据已确定的互异整数，并将其设置为激励阵元的编号，选中编号的阵元位置保留，其余阵元位置去除。

更进一步地，在所述步骤S4中，阵元调整的具体过程如下：

S41：生成2*N2个随机数，为每个随机数设置相同的取值范围，该取值范围依据天线单元最大尺寸与最小阵元间距的关系而定；

S42：提取前N2个数值，并将其作为系数加到保留阵元的x轴坐标中，表征阵元在x轴方向上的微调量；

S43：提取后N2个数值，并将其作为系数加到保留阵元的y轴坐标中，表征阵元在y轴方向上的微调量；

S44：完成两个方向的微调整后，对单个扇形区域中的激励阵元沿着原点旋转复制N0-1份，旋转角度间隔为扇形的圆心角，至此完成全阵面的阵元位置排布。

更进一步地，在所述步骤S5中，重新生成扇形区域数和阵元位置坐标代入进化算法进行优化，具体优化过程为将新生成的种群代入算法，分别计算种群的适应度值，根据适应度值筛选出性能优异的个体，再生成新一代种群继续进行迭代优化，直到获得最优解为止；其中，进化算法为遗传算法或粒子群算法。

本发明还提供了一种大间距宽角扫描相控阵天线设计系统，采用上述的设计方法对相控阵天线的阵元位置进行优化，包括：

阵面区域划分模块，用于在确定阵元可排布区域的形状和尺寸后，以排布区域为圆形设计，对阵面区域进行划分并优化，得到多个扇形区域；

密集排布模块，用于根据已完成天线单元的优化仿真，确定天线单元最终模型的外形和尺寸，通过测量获得天线单元的最大尺寸；根据最大尺寸和拉大间距的期望值，确定密集排布的最小阵元间距；根据该最小阵元间距进行密集阵元排布和筛选，进而确定单个扇形区域内的阵元排布；

有效元抽选模块，用于根据已获得的单个扇形区域阵元的排布信息，抽选最终激励的阵元；

阵元调整模块，用于基于已抽选的阵元位置，对每个阵元进行位置调整；

迭代计算模块，用于重新生成随机参数并重复步骤S1～S4，根据进化算法进行迭代和计算。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、采用分块数参数化设置提高优化的自由度，由于每种分块情况均可能存在较优解，将区域分块种类代入优化变量，可避免最终优化结果陷入局部较优，更可能获得最优解。

2、采用划区密集排布的形式可有效控制相邻阵元的间距，避免出现相邻阵元重叠的情况，提高优化效率；另外，规则布局有利于后端网络设计，降低馈电网络的复杂程度。

3、采用密集排布和阵元抽选结合的方式可有效拉大间距，并使在拉大间距同时不出现栅瓣，进而减少通道数，降低成本；通过阵元位置微调整为大角度扫描优化提供更多可能性，提高了优化效率，打破了周期性排布形式。上述设计方法，在保证工程实现性的同时，不仅提高了获得最优解的可能性，也提高了最终寻迹获得的天线阵列方向图性能。由本方法获得的相控阵阵列天线可具有低成本、宽角扫描特性，当该方法应用于信息对抗系统时，可有效提高系统的利用范围，同时降低系统的成本。

附图说明

图1是本发明实施例一中大间距宽角扫描相控阵天线设计方法流程图；

图2是本发明实施例二中满阵时的阵元位置排布图；

图3是本发明实施例二中经过阵元抽选和微调整后的阵元位置排布图；

图4是本发明实施例二中阵列天线经过优化后4GHz处的法向切面方向图；

图5是本发明实施例二中阵列天线经过优化后4GHz处的扫描60°切面方向图；

图6是本发明实施例三中满阵时的阵元位置排布图；

图7是本发明实施例三中经过阵元抽选和微调整后的阵元位置排布图；

图8是本发明实施例三中阵列天线经过优化后18GHz处的法向切面方向图；

图9是本发明实施例三中阵列天线经过优化后18GHz处的扫描45°切面方向图。

图中：1、全阵面区域；2、扇形区域。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

本实施例提供了一种大间距宽角扫描相控阵天线设计方法，最终得到大间距宽角扫描相控阵天线的阵元分布及阵列方向图。如图1所示，图1为本实施例中的大间距宽角扫描相控阵天线设计方法流程图，设计过程起始于确定阵面参数，一是确定全阵面形状和尺寸，假定全阵面形状为圆形，区域半径为R；二是确定全阵阵元数；接着确定最小阵元间距，由于天线单元存在固定尺度，实际阵列排布时相邻阵元之间不可重叠，因此排布时最小单元间距需大于天线单元的最大尺寸；为获得最小阵元间距，需对天线单元进行优化仿真，仿真借助电磁仿真软件，如HFSS等，确定最终天线单元模型后对模型进行测量，获得天线单元最大尺寸，并依据该尺寸确定最小单元间距。具体包括以下步骤：

S1：阵面区域划分

确定阵元可排布区域的形状和尺寸后，以排布区域为圆形设计，优化时对阵面区域进行划分，得到多个扇形区域，优化时阵面区域划分的扇形区域数N0设置为待优化参数，该参数为整数，取值范围为5～12。

S2：区域阵元密集排布

根据已完成天线单元的优化仿真，确定天线单元最终模型的外形和尺寸，通过测量获得天线单元的最大尺寸；根据最大尺寸和拉大间距的期望值，确定密集排布的最小阵元间距；根据该最小阵元间距进行密集阵元排布和筛选，进而确定单个扇形区域内的阵元排布；根据最小阵元间距进行密集阵元排布和筛选，具体规则为：首先确定特定方形区域，该区域需满足的条件为在面积和两维尺寸上可完全覆盖单个扇形区域；接着在该方形区域内按上述阵元间距密集排布阵元，排布形式可选择矩形排布或三角排布；最后进行扇形阵元筛选，根据角度和半径判断条件从方形区域内筛选出扇形阵元。

S3：有效元随机抽选

根据已获得的单个扇形区域阵元的密集排布，抽选最终激励的阵元。假定扇形区域内排满阵元后阵元数为N1，目标激励的阵元数为N2，通过随机生成N2个整数抽选阵元，要求每个整数互异。生成的随机整数即为扇形区域内激励阵元的编号，去除其余未被选中的阵元，仅保留抽中的阵元。

S4：阵元调整

基于已抽选的阵元位置，对每个阵元进行位置微调整。确定阵元位置后，随机生成2*N2的随机数，每个随机数均有相同的取值范围，其中前N2个数表征x轴位置的微调量，后N2个数表征y轴位置的微调量。将生成的随机数加到抽选出阵元的位置上，获得调整后的阵元位置。根据确定的扇形区域阵元位置，旋转复制获得N0-1个扇形区域填充全阵面。

S5：算法迭代计算

重新生成随机参数并重复步骤S1～S4，根据进化算法进行迭代和计算。

在本实施例中，在所述步骤S1中，每个扇形区域的形状和尺寸完全相同，每个扇形区域内的阵元位置排布完全相同，任何一个扇形区域均能够通过其他任何一个扇形区域旋转一定角度获得。

在本实施例中，在所述步骤S1中，将阵面区域划分的扇形区域数N0设置为待优化参数，优化时产生一特定随机数采用随机数产生软件，对该数值取整，并以该整数为分块扇形数，即扇形区域数N0。

在本实施例中，在所述步骤S2中，区域阵元密集排布的具体过程如下：

S21：根据已完成天线单元的优化仿真，确定天线单元最终模型的外形和尺寸，通过测量获得天线单元的最大尺寸；根据最大尺寸和拉大间距的期望值，最大尺寸由天线模型决定，期望值是人为设定的，作用是限制阵元之间的最小间距；确定密集排布的最小阵元间距；

S22：确定特定方形区域，确定时需满足条件：方形区域的边长需大于扇形半径，并在面积和两维尺寸上能够完全覆盖单个扇形区域；

S23：按此前确定的最小阵元间距，在上述方形区域内进行阵元密集排布，排布方式可选为矩形栅格或三角栅格，相邻阵元间距需大于或等于最小阵元间距；

相邻阵元组成的图形形状表征阵元排布形式，若相邻4个阵元组成形状为矩形，排布为矩形栅格；相邻3个阵元组成形状为三角形，排布为三角栅格。

S24：进行扇形阵元筛选，根据方形区域内的密集阵元排布位置，通过约束条件筛选确定扇形区域内的阵元，具体过程为：分别计算方形区域内的每个阵元距离原点的距离以及阵元和原点连线与x轴的夹角，设置筛选条件为阵元距离需满足小于或等于扇形半径，且阵元夹角需满足小于或等于扇形圆心角。

在本实施例中，在所述步骤S3中，有效元随机抽选的具体过程如下：

S31：生成N2个随机数，每个随机数的取值范围为0.5～N1+0.5，对这些随机数进行四舍五入取整；

S32：判断这些取整后的整数是否互异，如互异则满足要求进入所述步骤S33，不互异则重新生成随机数并重复步骤S31；

S33：根据已确定的互异整数，并将其设置为激励阵元的编号，选中编号的阵元位置保留，其余阵元位置去除。

在本实施例中，在所述步骤S4中，阵元调整的具体过程如下：

S41：生成2*N2个随机数，为每个随机数设置相同的取值范围，该取值范围依据天线单元最大尺寸与最小阵元间距的关系而定；

S42：提取前N2个数值，并将其作为系数加到保留阵元的x轴坐标中，表征扇形阵元在x轴方向上的微调量；

S43：提取后N2个数值，并将其作为系数加到上述保留阵元的y轴坐标中，表征扇形阵元在y轴方向上的微调量；

S44：完成两个方向的微调整后，对单个扇形中的激励阵元沿着原点旋转复制N0-1份，旋转角度间隔为扇形的圆心角，至此完成全阵面的阵元位置排布。

在步骤S5中，重新生成扇形区域数和阵元位置坐标代入进化算法进行优化，进化算法可选择遗传算法、粒子群算法等，具体优化过程为将新生成的种群代入算法，分别计算种群的适应度值，根据适应度值筛选出性能优异的个体，再生成新一代种群继续进行迭代优化，直到获得最优解为止。

实施例二

本实施例优化了圆形口径天线法向和扫描方向图，设置x轴和y轴如图2所示。待优化阵列天线工作于4GHz频点，阵元尺寸为42mm，排布时阵元间距设置为52mm，所有阵元均以独立单元形式在区域内布局，分块数设置为6～12之间的整数。优化时阵元微调整的范围沿着x轴和y轴均为2mm。待优化方向图为天线阵列的法向和扫描60°切面方向图，目标副瓣为-10dB以下。待优化参数由分块数、17个去除阵元的编号以及62个阵元沿着x轴和y轴的移动系数组成，随机生成一组阵元集合作为初始值代入优化过程中，依次进行区域划分、分块区域密集排布、阵元抽选和阵元微调整操作，获得阵元坐标。优化时以天线的目标副瓣构建适应度函数，将阵元坐标初始值和适应度函数代入遗传(进化)算法中计算。种群个数设置为500个，优化次数设置为100次。通过优化获得较优解，满阵时阵元数为711个，激励阵元数为558个。

如图2～图5所示，图2是本实施例中满阵时的阵元位置排布图，图3是本实施例中经过阵元抽选和微调整后的阵元位置排布图，图4为阵列天线经过优化后4GHz处的法向切面方向图，图5为阵列天线经过优化后4GHz处的扫描60°切面方向图。

由上述可得，本实施例优化所得阵列的法向和扫描状态副瓣电平实现-10dB以下，±90°范围内未出现栅瓣。

实施例三

本实施例优化了圆形口径天线法向和扫描方向图，设置x轴和y轴如图7所示。待优化阵列天线工作于18GHz频点，阵元尺寸为15.4mm，排布时阵元间距设置为18.6mm，所有阵元均以独立单元形式在区域内布局，分块数设置为6～12之间的整数。优化时阵元微调整的范围沿着x轴和y轴均为1.6mm。待优化方向图为天线阵列的法向和扫描45°切面方向图，目标副瓣为-10dB以下。待优化参数由分块数、37个去除阵元的编号以及63个阵元沿着x轴和y轴的移动系数组成，随机生成一组阵元集合作为初始值代入优化过程中，依次进行区域划分、分块区域密集排布、阵元抽选和阵元微调整操作，获得阵元坐标。优化时以天线的目标副瓣构建适应度函数，将阵元坐标初始值和适应度函数代入遗传(进化)算法中计算。种群个数设置为500个，优化次数设置为100次。通过优化获得较优解，满阵时阵元数为600个，激励阵元数为378个。

如图6～图9所示，图6是本实施例中满阵时的阵元位置排布图，图7是本实施例中经过阵元抽选和微调整后的阵元位置排布图，图8为阵列天线经过优化后18GHz处的法向切面方向图，图9为阵列天线经过优化后18GHz处的扫描45°切面方向图。

由上述可得，本实施例优化所得阵列的法向和扫描状态副瓣电平实现-10dB以下，±90°范围内未出现栅瓣。

综上所述，上述实施例中的大间距宽角扫描相控阵天线设计方法，采用密集排布和阵元抽选结合的方式可有效拉大间距，并使在拉大间距同时不出现栅瓣，进而减少通道数，降低成本；通过阵元位置微调整为大角度扫描优化提供更多可能性，提高了优化效率，打破了周期性排布形式。上述设计方法，在保证工程实现性的同时，不仅提高了获得最优解的可能性，也提高了最终寻迹获得的天线阵列方向图性能。由本方法获得的相控阵阵列天线可具有低成本、宽角扫描特性，当该方法应用于信息对抗系统时，可有效提高系统的利用范围，同时降低系统的成本。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。