一种椭球相控阵天线设计方法

技术领域

本发明涉及天线设计方法技术领域，尤其涉及一种椭球相控阵天线设计方法。

背景技术

无人机用途广泛，成本低，效率较高；机动性能好，使用方便，各个领域均具有广阔的应用前景。无人机具有重量轻、体积小的特点。基于该特点，无人机对进行通信的天线要求较高。

现有对无人机天线的设计通常是，利用现有的经验公式，结合天线工程师的设计经验和实物测量与调试来进行设计，设计过程冗长、效率较差，且天线的设计参数不易调整。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种椭球相控阵天线设计方法，解决现有对无人机天线的设计过程冗长、效率较差，且天线的设计参数不易调整的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种椭球相控阵天线设计方法，包括步骤：构建相控阵天线仿真模型，所述相控阵天线仿真模型包括壳体和多组双椭球天线；对所述相控阵天线仿真模型进行仿真，获取所述相控阵天线仿真模型的仿真参数；判断所述仿真参数是否满足设计指标，若满足，则确定所述相控阵天线的基础仿真模型。

优选的，还包括在确定所述相控阵天线的基础仿真模型后，对所述基础仿真模型进一步优化，得到所述相控阵天线的优化仿真模型。

优选的，在构建相控阵天线仿真模型中，根据安装空间确定所述壳体的最大尺寸；根据所述壳体的最大尺寸确定所述双椭球天线的尺寸和数量。

优选的，所述双椭球天线包括有第一子椭球，第二子椭球，以及连接所述第一子椭球和第二子椭球的同轴线。

优选的，确定所述双椭球天线的数量，所述双椭球天线包括有3个，分别为第一辅助双椭球天线、主控双椭球天线和第二辅助双椭球天线，所述主控双椭球天线设置在所述壳体的中部，所述第一辅助双椭球天线和第二辅助双椭球天线设置在所述主控双椭球天线的两侧。

优选的，对所述基础仿真模型进一步优化包括：增大所述第一子椭球和第二子椭球尺寸，使所述第一子椭球和第二子椭球的短轴长度与所述壳体的高度适配，将第一子椭球和第二子椭球的长轴方向上，突出于壳体的部位切除，形成切面，所述切面与其相切的所述壳体的侧面平齐。

优选的，对所述基础仿真模型进一步优化还包括：位于所述底板对角处的第一子椭球和/或第二子椭球的切面设置有两个，一切面与所述底板的横向侧面平齐，另一切面与所述底板的纵向侧面平齐。

优选的，将所述第一子椭球和第二子椭球分割为两个半椭球体，在所述半椭球体连接处的外边沿处均设置连接座。

优选的，对所述基础仿真模型进一步优化包括：所述第一辅助双椭球天线和第二辅助双椭球天线倾斜设置在所述底板上，与所述底板均具有第一预设夹角；所述主控双椭球天线倾斜设置在底板的中部，与所述底板具有第二预设夹角，使所述第二预设夹角大于所述第一预设夹角。

优选的，对所述基础仿真模型进一步优化包括：确定所述第一辅助双椭球天线和第二辅助双椭球天线与所述主控双椭球天线之间的最短距离为0.3λ-0.6λ，λ为所述椭球相控阵天线的中心频率对应的波长。

本发明的有益效果是：本发明中，通过对相控阵仿真天线模型进行仿真，获取仿真参数，并判断仿真参数是否满足设计指标，确定基础仿真模型，由此能够极大的缩短天线设计时间，提高天线设计效率，且能够便捷的调整相控阵仿真天线模型的参数，以调整仿真参数，使仿真参数满足设计指标。

附图说明

图1是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例的流程图；

图2是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例相控阵天线的结构示意图；

图3是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例壳体内的结构示意图；

图4是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例的俯视结构示意图；

图5是图4中A-A方向的剖视结构示意图；

图6是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例一半椭球体的结构示意图；

图7是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例另一半椭球体的结构示意图；

图8是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例同轴线的结构示意图；

图9是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例底座的结构示意图；

图10是无人机安装椭球相控阵天线一实施的结构示意图；

图11是无人机安装椭球相控阵天线另一实施的结构示意图；

图12是无人机安装椭球相控阵天线另一实施的结构示意图；

图15是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例优化仿真模型驻波比的示意图；

图13是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例基础仿真模型不具有切面时驻波比的示意图；

图14是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例基础仿真模型第一预设夹角等于第二预设夹角时驻波比的示意图；

图16是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例优化仿真模型工作频率为0.8GHz时的波束合成图；

图17是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例优化仿真模型工作频率为1.6GHz时的波束合成图；

图18是根据本发明椭球相控阵天线设计方法一实施例优化仿真模型工作频率为2.4GHz时的波束合成图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1显示了本发明椭球相控阵天线设计方法的实施例，包括步骤：

步骤S1：构建相控阵天线仿真模型，相控阵天线仿真模型包括壳体和多组双椭球天线.

步骤S2：对相控阵天线仿真模型进行仿真，获取相控阵天线仿真模型的仿真参数。

步骤S3：判断仿真参数是否满足设计指标；若满足，则确定相控阵天线的基础仿真模型。

若不满足，调整双椭球天线仿真模型的构造，并重新进行仿真，直至仿真参数满足设计指标，并确定对应的相控阵天线的基础仿真模型。

本发明中，通过对相控阵仿真天线模型进行仿真，获取仿真参数，并判断仿真参数是否满足设计指标，确定基础仿真模型，由此能够极大的缩短天线设计时间，提高天线设计效率。且能够便捷的调整相控阵仿真天线模型的参数，以调整仿真参数，使仿真参数满足设计指标。

优选的，在构建相控阵天线仿真模型中，根据安装空间确定壳体40的最大尺寸；根据壳体40的最大尺寸确定双椭球天线的尺寸和数量。

如图2-图9所示，相控阵天线包括底板10，多个双椭球天线20和壳体40，壳体40在使用时盖合在底板10上侧。双椭球天线20设置在底板10上，壳体与底板10适配，罩设在双椭球天线20外侧，双椭球天线20包括有第一子椭球201，第二子椭球202，以及连接第一子椭球201和第二子椭球202的同轴线203，第一子椭球201和第二子椭球202的短轴与底板10垂直，第一子椭球201和第二子椭球202的短轴长度与壳体40的高度适配。

将第一子椭球201和第二子椭球202的短轴长度与壳体40的高度适配，能够确保第一子椭球201和第二子椭球202具有在壳体40内最大的短轴长度，使天线具有较宽的工作带宽。

确定双椭球天线20的数量，优选的，双椭球天线20设置有3个，分别为第一辅助双椭球天线206、主控双椭球天线208和第二辅助双椭球天线207，主控双椭球天线208设置在底板10的中部，第一辅助双椭球天线206和第二辅助双椭球天线207分别设置在主控双椭球天线208的两侧。通过主控双椭球天线208来确定相控阵天线的极化方式、波束扫描范围等。第一辅助双椭球天线206的馈电相位作为参考相位，第二辅助双椭球天线207与主控双椭球天线208波束进行合束。可提高波束覆盖范围。

优选的，第一子椭球201和第二子椭球202的材质均为金属。

优选的，底板10为长方形，壳体40为长方体形。

优选的，如图8所示，同轴线203包括有与第一子椭球201连接的第一连接件2031，以及与第二子椭球202连接的第二连接件2032，

第一连接件2031包括有连接部20311和内设部20312，连接部20311固定设置在第一子椭球201，第二连接件2032穿设在第二子椭球202的外壁，内设部20312贯穿设置在第二连接件2032内。

通过同轴线203将第一子椭球201和第二子椭球202合束，提高天线波束的覆盖范围。

优选的，连接部20311和内设部20312均为圆柱形，连接部20311的直径大于内设部20312的直径。

优选的，第二连接件2032为圆柱形。

优选的，如图9所示，椭球相控阵天线还包括有底座30，底座的材料为不导电的尼龙、氟化乙烯丙烯树脂、氟聚物泡沫树脂、氟聚物树脂、全氟烷氧基树脂等。底座30设置在底板10上，用于固定第一子椭球201或第二子椭球202。

优选的，底座30上设置有穿孔301，连接同轴线203的馈线可通过穿孔301进入到第二连接件2032内与同轴线203连接。

上述的基础仿真模型相控阵天线可用于无人机上实现空地通信、电子对抗，即具有尺寸小的优点，又具有带宽宽和波束覆盖范围广的优点。

在应用时，当仿真参数满足设计指标后，即可确定基础仿真模型，根据基础仿真模型制造相控阵天线。然而基础仿真模型的仿真参数，虽然初步满足了设计指标，还可以将仿真参数进一步的优化。这种优化的目的就是进一步在天线尺寸大小一定的情况下，如何优化使得天线的增益、带宽、方向图等设计参数获得进一步提升。

优选的，确定相控阵天线的基础仿真模型后，对基础仿真模型进一步优化，得到相控阵天线的优化仿真模型。

在对基础仿真模型进一步优化中，包括有三个方面，一是对双椭球天线20尺寸的优化，二是对双椭球天线20倾斜角度的优化，三是对双椭球天线20的安装方式进行优化。

进一步的，对双椭球天线20尺寸的优化，减少相控阵天线的整体尺寸，降低反射波的影响。在调整双椭球天线20的构造中，增大第一子椭球201和第二子椭球202尺寸，使第一子椭球201和第二子椭球202的短轴长度与壳体40的高度适配，将第一子椭球201和第二子椭球202的长轴方向上，突出于壳体40的部位切除，形成切面，切面与其相切的壳体40的侧面平齐。

第一子椭球201和第二子椭球202的长轴长度通常大于第一子椭球201和第二子椭球202的短轴长度，就会存在第一子椭球201和第二子椭球202妨碍壳体40罩设在底板上。因此以壳体40的内侧面为基准面，设定第一子椭球201和第二子椭球202的切面204，切面204与底板10的横向侧面或纵向侧面平齐。

优选的，位于底板10对角处的第一子椭球201和/或第二子椭球202的切面204设置有两个，一切面204与底板10的横向侧面平齐，另一切面204与底板10的纵向侧面平齐。由此即能够确保了第一子椭球201和第二子椭球202具有在壳体40内最大的短轴长度，并且确保减少了第一子椭球201和第二子椭球202的体积，减小了相控阵天线的整体尺寸，有效降低反射波的影响。

进一步的，对双椭球天线倾斜角度的优化，提高满足驻波比的工作带宽范围。优选的，如图4所示，第一辅助双椭球天线206和第二辅助双椭球天线207倾斜设置在底板10上，与底板10均具有第一预设夹角a；主控双椭球天线208倾斜设置在底板10的中部，与底板10具有第二预设夹角b。第一预设夹角a和第二预设夹角b可以相等，也可以不等。第一预设夹角a和第二预设夹角b可以根据设计需求进行调整，以满足在一定的工作带宽内具有较好的驻波比。

优选的，第二预设夹角b大于第一预设夹角a。由此能够使相控阵天线具有较好的驻波比。

优选的，第一预设夹角a为30°，第二预设夹角b为45°。

优选的，在调整双椭球天线的构造中，确定第一辅助双椭球天线和第二辅助双椭球天线与主控双椭球天线之间的最短距离为0.3λ-0.6λ，λ为椭球相控阵天线工作的频率范围(0.80GHz-2.40GHz)的中心频率1.6GHz对应的波长，优选0.4λ。

进一步的，对椭球相控阵天线的结构进行优化，以便于安装。优选的，第一子椭球201和第二子椭球202可以是整体结构和分体结构，优选的，如图1、图6和图7所示，第一子椭球201和第二子椭球202均有两个半椭球体205合并形成，半椭球体205连接处的外边沿处均设置有连接座2051，可通过螺栓将两个半椭球体205上的连接座2051连接，两个半椭球体205组成第一子椭球201或第二子椭球202。第一子椭球201和第二子椭球202均有两个半椭球体205合并形成，可先将连接同轴线203的半椭球体205固定在底座30上，然后将同轴线203固定在该半椭球体205，同轴线203固定完成后，再将另一半椭球体205固定在底座30上，进而通过螺栓穿设在连接座2051内，将两个半椭球体205合并形成第一子椭球201或第二子椭球202，由此能够便捷的第一子椭球201固定在底座30上，便于安装和拆卸，提高天线的安装效率。

对基础仿真模型进行上述三个方面优化后，即可获得优化仿真模型，根据优化仿真模型制造相控阵天线。

可将本发明设计的相控阵天线安装在无人机上，如图10所示，椭球相控阵天线安装在无人机机翼1的下侧，该天线的朝向(即壳体的法线方向)与无人机的飞行方向一致，天线的底板10垂直于机翼1对应所在的平面。图11则进一步显示椭球相控阵天线朝向无人机的斜下方，天线的底板与机翼1所在平面的夹角为45°。图12则进一步显示椭球相控阵天线朝向无人机的正下方，天线的底板与机翼1所在平面平行。也可以根据需要进行合理的设置。

进一步的，以具体的一实施例进行说明，无人机上安装尺寸受限，壳体40的尺寸长宽高为：250mm*130mm*90mm。将短轴长度降至小于90mm。例如85mm-89mm之间等。对椭球相控阵天线的要求是：在工作频段0.8～2.4GHz之间，波束扫描±45°范围内增益大于2dBi，极化为线极化，驻波比小于2。

在图13、图14和图15中，横坐标Freq为工作带宽，竖坐标Y1为驻波比，上侧的曲线VSWR(2)表示主控双椭球天线的驻波比曲线。VSWR(1)和VSWR(3)分别为第一辅助双椭球天线和第二辅助双椭球天线的驻波比曲线，VSWR(1)和VSWR(3)的驻波比曲线趋近于重合。

在基础仿真模型中，第一子椭球和第二子椭球长轴长度与壳体40的宽度适配，即第一子椭球和第二子椭球的形状完整，不进行切除，其驻波比如图13所示，从图13中可以看出，在1.25GHz-2.40GHz的工作带宽内，其驻波比小于2。

在基础仿真模型中，第二预设夹角等于第一预设夹角。其驻波比如图14所示，从图14中可以看出，在1.62GHz-2.40GHz的工作带宽内，其驻波比小于2。

对基础仿真模型中第一子椭球和第二子椭球的尺寸和倾斜角度进行以下优化：第一，增大第一子椭球和第二子椭球长轴的长度，即增大第一椭球体和第二椭球体的体积，将第一子椭球和第二子椭球超除壳体的部分进行切除，形成切面。第二，将第一预设夹角设置为小于第二预设夹角。从而获得优化仿真模型，其驻波比如图15所示，从图15可以看出，本发明在0.80GHz-2.40GHz的工作带宽内，其驻波比均小于2，具有较好的驻波比。

从上述对比可知，增大第一椭球体和第二椭球体的体积和将第一预设夹角设置为小于第二预设夹角后，驻波比小于2的工作带宽由1.25GHz-2.40GHz或1.62GHz-2.40GHz扩大到0.80GHz-2.40GHz。因此通过上述优化，能够显著的优化基础仿真模型的仿真参数。

进一步的，以具体的一优化仿真模型进行说明，壳体40的尺寸长宽高为：250mm*130mm*90mm。短轴长度为85mm。

在工作频率为0.8GHz时，其波束合成图如图16所示，馈电相位表如表1所示。

图16中横坐标theta表示相控阵天线H平面上的角度，竖坐标Gain表示增益。图17和图18中横坐标和竖坐标与图16中的含义相同，下文不再累述。

表1 0.8GHz时各波束扫描角及馈电相位表

在表1中，单元1表示第一辅助双椭球天线，单元2表示主控双椭球天线，单元3表示第二辅助双椭球天线，单元1的馈电相位为0，作为参考相位。波束1-4的波束覆盖范围不同。表2和表3中的内容与表1中表示的内容类似，下文不再描述。

从图16和表1可以看出，本发明的波束覆盖范围较广，并且具有较好的增益。

在工作频率为1.6GHz时，其波束合成图如图17所示，馈电相位表如表2所示。

表2 1.6GHz时各波束扫描角及单元馈电相位表

在工作频率为2.4GHz时，其波束合成图如图18所示，馈电相位表如表3所示。

表3 2.4GHz时各波束扫描角及单元馈电相位表

综上，本发明实现相控阵天线在0.8～2.4GHz工作带宽内驻波比不大于2.5、极化方式为线极化、天线阵列在波束扫描范围±45°内的4个波束的最小增益不低于2dBi，本发明椭球相控阵天线用于无人机上实现空地通信、电子对抗，即具有尺寸小的优点，又具有带宽宽和波束覆盖范围广的优点。

综上，通过本发明设计的相控阵天线在0.8～2.4GHz工作带宽内驻波比不大于2.5、极化方式为线极化、天线阵列在波束扫描范围±45°内的4个波束的最小增益不低于2dBi，相控阵天线用于无人机上实现空地通信、电子对抗，即具有尺寸小的优点，又具有带宽宽和波束覆盖范围广的优点。

由此可见，本发明通过对相控阵仿真天线模型进行仿真，获取仿真参数，并判断仿真参数是否满足设计指标，确定基础仿真模型，由此能够极大的缩短天线设计时间，提高天线设计效率。且能够便捷的调整相控阵仿真天线模型的参数，以调整仿真参数，使仿真参数满足设计指标。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。