一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，包括確定平面陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)；確定矩形柵格圓口徑陣列排布；計(jì)算單元輻射方向圖函數(shù)和單元散射方向圖函數(shù)；給出初始安裝高度值；計(jì)算z向安裝高度；計(jì)算z向安裝高度下的輻射方向圖函數(shù)和增益方向圖函數(shù)，以及相對(duì)于理想情況的增益損失量；計(jì)算z向安裝高度下的散射方向圖函數(shù)和RCS方向圖函數(shù)，以及相對(duì)于理想情況的RCS縮減量；判斷z向安裝高度下，輻射和散射性能是否滿(mǎn)足增益損失量最小的情況下RCS縮減量達(dá)到最大的要求，不滿(mǎn)足要求，更新z向安裝高度并重復(fù)計(jì)算，直至滿(mǎn)足要求。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)天線(xiàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及陣列天線(xiàn)輻射和散射性能的綜合設(shè)計(jì)方法，以及天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和天線(xiàn)單元安裝高度的確定和分配方案，可從綜合考慮輻射和散射性能的角度指導(dǎo)陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]從電視、廣播、移動(dòng)通信，到雷達(dá)、導(dǎo)航、氣象、定位、衛(wèi)星，再到軍事領(lǐng)域中的制導(dǎo)武器、電子對(duì)抗等應(yīng)用領(lǐng)域，天線(xiàn)取得了極為豐碩的研究成果。同時(shí)，軍事斗爭(zhēng)迫切需要強(qiáng)有力的天線(xiàn)理論和技術(shù)的發(fā)展。陣列天線(xiàn)因其可靠性高、功能多、探測(cè)和跟蹤能力高等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種雷達(dá)系統(tǒng)中并成為當(dāng)今雷達(dá)發(fā)展的主流，特別是在先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)綜合電子信息系統(tǒng)中得到了很好地應(yīng)用。然而，在以現(xiàn)代高新技術(shù)為背景的電子戰(zhàn)中，為了提高我方軍事力量的突防能力和生存能力，就必須提高我方戰(zhàn)斗平臺(tái)的隱身能力，即控制和降低軍用系統(tǒng)的雷達(dá)散射面(Radar Cross Sect1n, RCS)。因此，在日益嚴(yán)峻的軍事需求下，發(fā)展具有高增益、高隱身性能的陣列天線(xiàn)就凸顯的尤為重要。
[0003]雷達(dá)散射截面是表征目標(biāo)散射強(qiáng)弱的物理量。天線(xiàn)作為輻射元件的散射機(jī)理較普通目標(biāo)更為復(fù)雜，且其RCS縮減的同時(shí)，必須滿(mǎn)足天線(xiàn)最基本的輻射性能的要求。所以，天線(xiàn)的雷達(dá)散射截面縮減的核心問(wèn)題就是如何兼顧天線(xiàn)輻射性能的情況下，降低其散射性能。國(guó)內(nèi)外學(xué)者們至今也沒(méi)有找到一種理想的途徑，可以在完全不影響天線(xiàn)輻射性能的情況下來(lái)顯著地縮減天線(xiàn)RCS。同時(shí)，陣列天線(xiàn)的散射場(chǎng)可分為結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射和天線(xiàn)模式項(xiàng)散射兩部分，兩者矢量疊加構(gòu)成了陣列天線(xiàn)的RCS。通常，要解析確定結(jié)構(gòu)模式項(xiàng)散射場(chǎng)、天線(xiàn)模式項(xiàng)散射場(chǎng)以及兩者之間的相位差是十分困難的。
[0004]目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在計(jì)算陣列天線(xiàn)散射性能時(shí)通常采用數(shù)值計(jì)算方法，如在Tanaka TjNish1ka Y，Inasawa Y，et al.MoM analysis of radiat1n and scatteringof broadband array antenna.Proceedings of2013URSI Internat1nal Symposium onElectromagnetic Theory, 2013中采用矩量法計(jì)算錐形縫隙陣列天線(xiàn)的福射和散射性能，此方法雖然可計(jì)算出陣列天線(xiàn)的RCS，但是計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，并且對(duì)于規(guī)模較大的陣列天線(xiàn)散射場(chǎng)計(jì)算需要更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和巨大的存儲(chǔ)空間。
[0005]近些年，涌現(xiàn)出大量的輻射場(chǎng)性能的分析和研究方法，許多學(xué)者根據(jù)經(jīng)典的陣列天線(xiàn)輻射方向圖乘積定理，結(jié)合遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、克隆免疫算法等多種智能優(yōu)化算法，對(duì)其輻射性能進(jìn)行分析與綜合，而對(duì)其散射方向圖分析和綜合的研究較少。如在文獻(xiàn) Lu B, Gong S X, Zhang S，et al.0ptimum spatial arrangement of array elements forsuppress1n of grating-lobes of radar cross sect1n.1EEE Antennas and WirelessPropagat1n Letters, VOL.38, N0.9, 2010中，類(lèi)似福射方向圖乘積定理，在不考慮天線(xiàn)單元之間互耦和邊緣效應(yīng)的情況下，推導(dǎo)出陣列天線(xiàn)散射場(chǎng)可表示為單元輻射方向圖函數(shù)和單元散射陣因子方向圖函數(shù)的乘積，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化單元之間的間距，對(duì)陣列天線(xiàn)的輻射和散射性能進(jìn)行優(yōu)化。同樣，文獻(xiàn) Wang W，Gong S X, Wang X, et al.Differential evolut1nalgorithm and method of moments for the design of low-RCS antenna.1EEE Antennasand Wireless Propagat1n Letters VOL.9, 2010結(jié)合矩量法計(jì)算陣列天線(xiàn)的RCS,并應(yīng)用差分進(jìn)化法優(yōu)化陣列天線(xiàn)的單元間距，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輻射和散射性能的兼顧。然而，這兩種方法都只是從傳統(tǒng)的陣列天線(xiàn)綜合角度，通過(guò)調(diào)整輻射單元間距來(lái)綜合優(yōu)化天線(xiàn)輻射和散射性能，優(yōu)化結(jié)果僅對(duì)陣列天線(xiàn)RCS方向圖的散射峰值有所縮減，而對(duì)其RCS的主瓣幾乎沒(méi)有縮減。另外，上述方法得到的不規(guī)則的輻射單元間距，給陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)，以及工藝加工等具體實(shí)施過(guò)程帶來(lái)了很大的困難。同時(shí)，上述方法采用電場(chǎng)積分方程及RaoS, Wilton D, Glisson A.Electromagnetic scattering by surfaces of arbitrary shape.1EEE Transact1ns on Antennas and Propagat1n, VOL.30, N0.3, 1982 中提出的 RWG基函數(shù)矩量法來(lái)分析陣列天線(xiàn)的輻射場(chǎng)和散射場(chǎng)，不僅計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，而且不易求出有效解。
[0006]因此，有必要找到一種快速、有效，且可以同時(shí)考慮陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素在內(nèi)的陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)方法，在改善陣列天線(xiàn)散射性能時(shí)，使得其輻射性能的惡化量最小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述陣列天線(xiàn)輻射和散射性能分析與綜合中的不足，本發(fā)明的目的在于提出了一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，該方法通過(guò)優(yōu)化陣面法向安裝高度，可以實(shí)現(xiàn)陣列天線(xiàn)輻射和散射性能的綜合最優(yōu)。因此，本方法可用于確定和分配陣列天線(xiàn)中的天線(xiàn)單元安裝高度，從綜合考慮輻射和散射性能的角度指導(dǎo)陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。
[0008]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是，確定等間距矩形柵格圓口徑排布的平面陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)；確定圓口徑窗函數(shù)，并得到矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的單元位置；計(jì)算單元輻射方向圖函數(shù)和單元散射方向圖函數(shù)；給出圓口徑內(nèi)所有天線(xiàn)單元的陣面法向(即z向)初始安裝高度值；計(jì)算z向安裝高度下的輻射場(chǎng)口面相位差和散射場(chǎng)口面相位差；計(jì)算Z向安裝高度下的輻射方向圖函數(shù)和增益方向圖函數(shù)，以及相對(duì)于理想情況的增益損失量；計(jì)算Z向安裝高度下的散射方向圖函數(shù)和RCS方向圖函數(shù)，以及相對(duì)于理想情況的RCS縮減量；判斷此z向安裝高度下，輻射和散射性能是否滿(mǎn)足增益損失量最小的情況下RCS縮減量達(dá)到最大的要求，若不滿(mǎn)足要求，根據(jù)上一次安裝高度值以及當(dāng)前目標(biāo)值，更新z向安裝高度并重復(fù)計(jì)算，直至滿(mǎn)足要求。
[0009]具體過(guò)程如下:
[0010]一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，包括下述步驟:
[0011](I)根據(jù)等間距矩形柵格圓口徑排布的平面陣列天線(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)，確定陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)；
[0012](2)根據(jù)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定圓口徑窗函數(shù)，并在等間距矩形柵格陣中，利用圓口徑窗函數(shù)，確定出等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的天線(xiàn)單元位置；
[0013](3)根據(jù)陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)，計(jì)算其單元輻射方向圖函數(shù)和單元散射方向圖函數(shù)；
[0014](4)在等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)內(nèi)，給出所有天線(xiàn)單元的陣面法向初始安裝高度值；[0015](5)計(jì)算法向安裝高度下陣列天線(xiàn)中各天線(xiàn)單元之間的空間相位差，分別得到此安裝高度下陣列天線(xiàn)的輻射場(chǎng)口面相位差和散射場(chǎng)口面相位差；
[0016](6)結(jié)合單元輻射方向圖函數(shù)和輻射場(chǎng)口面相位差，以及圓口徑窗函數(shù)，計(jì)算z向安裝高度下等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的輻射方向圖函數(shù)，并根據(jù)輻射方向圖函數(shù)計(jì)算輻射場(chǎng)增益方向圖函數(shù)，以及相對(duì)于理想情況，此z向安裝高度下的輻射場(chǎng)增益損失量；
[0017](7)結(jié)合單元散射方向圖函數(shù)和散射場(chǎng)口面相位差，以及圓口徑窗函數(shù)，計(jì)算z向安裝高度下等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的散射方向圖函數(shù)，并根據(jù)散射方向圖函數(shù)計(jì)算散射場(chǎng)RCS方向圖函數(shù)，以及相對(duì)于理想情況，此z向安裝高度下的散射場(chǎng)RCS縮減量；
[0018](8)相比于理想情況下的等間距矩形圓口徑陣列天線(xiàn)，判斷此z向安裝高度下，輻射和散射性能是否滿(mǎn)足增益損失量最小的情況下RCS縮減量達(dá)到最大，若滿(mǎn)足，則此安裝高度即為實(shí)現(xiàn)陣列天線(xiàn)輻射性能和散射性能綜合最優(yōu)的安裝高度；否則，根據(jù)上一次安裝高度值以及當(dāng)前目標(biāo)值，更新安裝高度，并重復(fù)步驟(5)至步驟(7)直至滿(mǎn)足要求。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟(1)中確定陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括口徑大小、單元間距；所述確定陣列天線(xiàn)的電磁工作參數(shù)，包括天線(xiàn)的中心工作電磁波頻率、電磁波波長(zhǎng)，以及雷達(dá)探測(cè)波頻率和雷達(dá)探測(cè)波波長(zhǎng)。
[0020]優(yōu)選地，所述步驟(2)中，確定出等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的天線(xiàn)單元位置，通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn):
[0021](2a)設(shè)等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的口徑為D，陣面平面內(nèi)橫向和縱向的單元間距分別為dx和dy，據(jù)此確定出用于生成圓口徑陣的矩形柵格陣在X向和I向矩形柵格數(shù)分別為2M+1和2N+1，且在陣面平面內(nèi)X方向和y方向的單元間距分別也為dx和dy ；
[0022]則等間距矩形柵格陣中，第(m，n)個(gè)天線(xiàn)單元到此陣面中心，為第(M+l，N+1)個(gè)天線(xiàn)單元的距離為L(zhǎng)mn;據(jù)此確定出圓口徑陣列天線(xiàn)內(nèi)第(m，n)個(gè)天線(xiàn)單元的窗函數(shù)Fnm;
[0023](2b)根據(jù)窗函數(shù)，在等間距矩形柵格陣中，如果天線(xiàn)單元到此陣面中心的距離L小于或等于圓口徑陣的陣面半徑D/2，則此天線(xiàn)單元在圓口徑內(nèi)；否則，此天線(xiàn)單元在圓口徑外；去掉等間距矩形柵格陣中在圓口徑外的天線(xiàn)單元，即得到矩形柵格圓口徑排布的陣列天線(xiàn)的位置。
[0024]優(yōu)選地,所述步驟⑷中，給圓口徑陣列中每一個(gè)天線(xiàn)單元加入初始z向安裝高度dz，設(shè)t為更新z向安裝高度的次數(shù)，則當(dāng)t = I時(shí)，則得到等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)中第(m, η)個(gè)天線(xiàn)單元的ζ向初始安裝高度(Izmn(I)。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟(5)中，得到ζ向安裝高度下陣列天線(xiàn)的輻射場(chǎng)口面相位差和散射場(chǎng)口面相位差，通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn):
[0026](5a)設(shè)等間距矩形柵格圓口徑排列陣列天線(xiàn)陣中，觀察點(diǎn)P相對(duì)于坐標(biāo)系0-xyz所在的方向(α, β)以方向余弦表示為(cosC>x, cosC>y, cosC>z),則得到觀察點(diǎn)P相對(duì)于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系；
[0027](5b)確定等間距矩形柵格圓口徑排列的陣列天線(xiàn)中，相鄰兩天線(xiàn)單元，即，第(P+1，q+Ι)個(gè)和第(p，q)個(gè)天線(xiàn)單元在目標(biāo)處沿X軸、y軸和ζ軸的空間相位差；
[0028] (5c)設(shè)等間距矩形柵格圓口徑排列的陣列天線(xiàn)在X方向和y方向無(wú)安裝位置誤差，在ζ方向的安裝高度，得到等間距矩形柵格圓口徑陣列中第(m，n)個(gè)天線(xiàn)單元在第t次ζ向安裝高度dz?(t)下的實(shí)際坐標(biāo)，且確定圓口徑陣的陣面中心第(M+1，N+1)個(gè)天線(xiàn)單元的實(shí)際坐標(biāo)；則確定第t次Z向安裝高度dz?(t)下的等間距矩形柵格圓口徑陣列中，第(m，n)個(gè)天線(xiàn)單元相對(duì)于陣面中心第(M+1，N+1)個(gè)天線(xiàn)單元的輻射場(chǎng)相位差Λ ψΕ? ；
[0029]確定第t次ζ向安裝高度dz?(t)下的等間距矩形柵格圓口徑陣列中，第(m，n)個(gè)天線(xiàn)單元相對(duì)于陣面中心第(M+1，N+1)個(gè)天線(xiàn)單元的散射場(chǎng)相位差Λ vsmn;
[0030](5d)將等間距矩形圓口徑陣中，每個(gè)天線(xiàn)單元相對(duì)于圓口徑陣面中心天線(xiàn)單元的輻射場(chǎng)相位差和散射場(chǎng)相位差，按照天線(xiàn)單元位置編號(hào)的順序存儲(chǔ)成矩陣的形式，即得到陣列天線(xiàn)的輻射場(chǎng)口面相位差和散射場(chǎng)口面相位差。
[0031]優(yōu)選地，所述步驟(6)中，計(jì)算輻射場(chǎng)增益方向圖函數(shù)，以及ζ向安裝高度下的輻射場(chǎng)增益損失量，通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn):
[0032](6a)根據(jù)陣列天線(xiàn)方向圖乘積定理和陣列天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)疊加原理，利用步驟(3)得到的單元輻射方向圖函數(shù)，步驟(5c)得到的陣列天線(xiàn)輻射場(chǎng)相位差Λ ψΕ?,以及步驟(2a)得到的圓口徑窗函數(shù)Fmn，得到第t次ζ向安裝高度下，等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的輻射方向圖函數(shù)；
[0033](6b)根據(jù)輻射方向圖函數(shù)計(jì)算等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的增益方向圖函數(shù)，取對(duì)數(shù)并繪制得到其輻射場(chǎng)增益方向圖，并計(jì)算相對(duì)于理想情況的此ζ向安裝高度下輻射場(chǎng)的增益損失量AG。
[0034]優(yōu)選地，所述步驟(7)中，計(jì)算ζ向安裝高度下散射場(chǎng)RCS縮減量，通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn):
[0035](7a)根據(jù)雷達(dá)散射截面的計(jì)算公式和天線(xiàn)單元相位差分析，利用步驟(3)得到的單元散射方向圖函數(shù)，步驟(5c)得到的陣列天線(xiàn)散射場(chǎng)相位差Λ 以及步驟(2a)得到的圓口徑窗函數(shù)Fmn，得到第t次ζ向安裝高度下，等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的散射方向圖函數(shù)；
[0036](7b)根據(jù)散射方向圖函數(shù)計(jì)算等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的RCS方向圖函數(shù)，取對(duì)數(shù)并繪制得到其散射場(chǎng)RCS方向圖，并計(jì)算相對(duì)于理想情況的此ζ向安裝高度下散射場(chǎng)RCS縮減量Λ R0
[0037]優(yōu)選地，所述步驟⑶中，判斷計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足在增益損失最小同時(shí)其RCS縮減量最大的要求，通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn):
[0038](Sa)若滿(mǎn)足要求，則此ζ向安裝高度即為實(shí)現(xiàn)陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合最優(yōu)的天線(xiàn)單元安裝高度；
[0039](Sb)若不滿(mǎn)足要求，則以V為更新速度，計(jì)算第t+Ι次更新的ζ向安裝高度；
[0040](Sc)設(shè)第t次ζ向安裝高度下，輻射場(chǎng)增益損失量和散射場(chǎng)RCS縮減量分別為AG(t)和Λ R(t)，且工程設(shè)計(jì)中增益損失量的最大允許值為Λ Gmax，散射場(chǎng)RCS縮減量的最小值為Λ Rmin，則得到P⑴。
[0041]優(yōu)選地，所述步驟(8c)中，所述AG(t)應(yīng)滿(mǎn)足:AG(t)≤AGmax ;所述AR(t)應(yīng)滿(mǎn)足 AR(t)≥ Δ Rmin0
[0042]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn):
[0043]1.針對(duì)陣列天線(xiàn)RCS縮減時(shí)，輻射性能與散射性能難以兼顧的問(wèn)題，本發(fā)明從機(jī)電耦合思想出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化陣列天線(xiàn)陣面法向的安裝高度，實(shí)現(xiàn)了輻射和散射性能的綜合最優(yōu)，克服了現(xiàn)有研究中通過(guò)單元間距綜合輻射和散射性能時(shí)，只能對(duì)RCS散射峰值進(jìn)行縮減的局限，同時(shí)避免了現(xiàn)有研究所得到的不規(guī)則排布的單元間距給機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)和制造加工帶來(lái)額外困難的不足。
[0044]2.在設(shè)計(jì)陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)，確定陣列天線(xiàn)單元安裝方案時(shí)，本發(fā)明可以同時(shí)考慮輻射性能和散射性能，避免了現(xiàn)有技術(shù)中僅以陣列天線(xiàn)的輻射場(chǎng)性能作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的不足。因此，本方法可用于確定和分配陣列天線(xiàn)中天線(xiàn)單元的安裝高度，從綜合考慮輻射和散射性能的角度指導(dǎo)陣列天線(xiàn)結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1是本發(fā)明技術(shù)方案的流程圖。
[0046]圖2是等間距矩形柵格圓口徑排布的陣列天線(xiàn)示意圖。
[0047]圖3是根據(jù)窗函數(shù)確定等間距矩形圓口徑陣的流程圖。
[0048]圖4是等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)中，天線(xiàn)單元ζ向安裝高度示意圖。
[0049]圖5是相對(duì)于觀察點(diǎn)的空間幾何關(guān)系圖。
[0050]圖6是最優(yōu)ζ向安裝高度下，等間距矩形柵格圓口徑天線(xiàn)的增益方向圖。
[0051]圖7是最優(yōu)ζ向安裝高度下，等間距矩形柵格圓口徑天線(xiàn)的RCS方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0053]參照?qǐng)D1，一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下:
[0054]步驟一，確定陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電磁參數(shù)
[0055]1.1)獲取陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中包括等間距矩形圓口徑陣的口徑D，以及天線(xiàn)單元在陣面內(nèi)，即X，y方向上的間距dx、dy，如圖2所示；
[0056]1.2)獲取陣列天線(xiàn)的電磁工作參數(shù)，包括該陣列天線(xiàn)的工作頻率f和依此頻率計(jì)算的天線(xiàn)波長(zhǎng)λ，雷達(dá)照射該天線(xiàn)時(shí)的入射波頻率fs和依此頻率計(jì)算的雷達(dá)照射該天線(xiàn)的入射波波長(zhǎng)入s。
[0057]步驟二，確定圓口徑窗函數(shù)，并在等間距矩形柵格陣中利用圓口徑窗函數(shù)確定出等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的天線(xiàn)單元位置
[0058]在等間距矩形柵格中利用圓口徑窗函數(shù)確定等間距矩形柵格圓口徑陣的流程圖如圖3所示，按照如下步驟:
[0059]2.1)如圖2所示，設(shè)等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的口徑(即直徑)為D，陣面平面內(nèi)橫向(即X向)和縱向(即y向)的單元間距分別為dx和dy，據(jù)此可確定出用于生成圓口徑陣的矩形柵格陣在X向和I向矩形柵格數(shù)分別為2M+1和2N+1，且在陣面平面內(nèi)X方向和I方向的單元間距分別也為dx和dy。
[0060]2.2)等間距矩形柵格陣中，第(m，η)個(gè)天線(xiàn)單元到此陣面中心，即第(M+l，Ν+1)個(gè)天線(xiàn)單元的距離為L(zhǎng)mn為
[0061]
【權(quán)利要求】
1.一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括下述步驟: (1)根據(jù)等間距矩形柵格圓口徑排布的平面陣列天線(xiàn)的基本結(jié)構(gòu)，確定陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)； (2)根據(jù)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定圓口徑窗函數(shù)，并在等間距矩形柵格陣中，利用圓口徑窗函數(shù)，確定出等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的天線(xiàn)單元位置； (3)根據(jù)陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁工作參數(shù)，計(jì)算其單元輻射方向圖函數(shù)和單元散射方向圖函數(shù)； (4)在等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)內(nèi)，給出所有天線(xiàn)單元的陣面法向初始安裝高度值； (5)計(jì)算法向安裝高度下陣列天線(xiàn)中各天線(xiàn)單元之間的空間相位差，分別得到此安裝高度下陣列天線(xiàn)的輻射場(chǎng)口面相位差和散射場(chǎng)口面相位差； (6)結(jié)合單元輻射方向圖函數(shù)和輻射場(chǎng)口面相位差，以及圓口徑窗函數(shù)，計(jì)算z向安裝高度下等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的輻射方向圖函數(shù)，并根據(jù)輻射方向圖函數(shù)計(jì)算輻射場(chǎng)增益方向圖函數(shù)，以及相對(duì)于理想情況，此z向安裝高度下的輻射場(chǎng)增益損失量； (7)結(jié)合單元散射方向圖函數(shù)和散射場(chǎng)口面相位差，以及圓口徑窗函數(shù)，計(jì)算z向安裝高度下等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的散射方向圖函數(shù)，并根據(jù)散射方向圖函數(shù)計(jì)算散射場(chǎng)RCS方向圖函數(shù)，以及相對(duì)于理想情況，此z向安裝高度下的散射場(chǎng)RCS縮減量； (8)相比于理想情況下的等間距矩形圓口徑陣列天線(xiàn)，判斷此z向安裝高度下，輻射和散射性能是否滿(mǎn)足增益損失量最小的情況下RCS縮減量達(dá)到最大，若滿(mǎn)足，則此安裝高度即為實(shí)現(xiàn)陣列天線(xiàn)輻射性能和散射性能綜合最優(yōu)的安裝高度；否則，根據(jù)上一次安裝高度值以及當(dāng)前目標(biāo)值，更新安裝高度，并重復(fù)步驟(5)至步驟(7)直至滿(mǎn)足要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(1)中確定陣列天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括口徑大小、單元間距；所述確定陣列天線(xiàn)的電磁工作參數(shù)，包括天線(xiàn)的中心工作電磁波頻率、電磁波波長(zhǎng)，以及雷達(dá)探測(cè)波頻率和雷達(dá)探測(cè)波波長(zhǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(2)中，確定出等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的天線(xiàn)單元位置通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn): (2a)設(shè)等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的口徑為D，陣面平面內(nèi)橫向和縱向的單元間距分別為dx和dy，據(jù)此確定出用于生成圓口徑陣的矩形柵格陣在X向和I向矩形柵格數(shù)分別為2M+1和2N+1，且在陣面平面內(nèi)X方向和y方向的單元間距分別也為dx和dy ； 則等間距矩形柵格陣中，第(m，n)個(gè)天線(xiàn)單元到此陣面中心，即第(M+1，N+1)個(gè)天線(xiàn)單元的距離為L(zhǎng)nm為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(4)中，給圓口徑陣列中每一個(gè)天線(xiàn)單元加入初始z向安裝高度dz，設(shè)t為更新z向安裝高度的次數(shù)，則當(dāng)t = I時(shí)，等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)中第(m，n)個(gè)天線(xiàn)單元的z向初始安裝高度dzmJl)為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(5)中，得到z向安裝高度下陣列天線(xiàn)的輻射場(chǎng)口面相位差和散射場(chǎng)口面相位差通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn): (5a)設(shè)等間距矩形柵格圓口徑排列陣列天線(xiàn)陣中，觀察點(diǎn)P相對(duì)于坐標(biāo)系Ο-xyz所在的方向(ct, β)以方向余弦表示為(cosC>x, cosC>y, cosC>z),則得到觀察點(diǎn)P相對(duì)于坐標(biāo)軸的夾角與方向余弦的關(guān)系為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3或5所述的一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(6)中，計(jì)算輻射場(chǎng)增益方向圖函數(shù)，以及z向安裝高度下的輻射場(chǎng)增益損失量通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn): (6a)根據(jù)陣列天線(xiàn)方向圖乘積定理和陣列天線(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)疊加原理，利用步驟(3)得到的單元輻射方向圖函數(shù)，步驟(5c)得到的陣列天線(xiàn)輻射場(chǎng)相位差Λ ψΕ?,以及步驟(2a)得到的圓口徑窗函數(shù)Fnm，得到第t次z向安裝高度下，等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的輻射方向圖函數(shù)為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟(7)中，計(jì)算z向安裝高度下散射場(chǎng)RCS縮減量通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn): (7a)根據(jù)雷達(dá)散射截面的計(jì)算公式和天線(xiàn)單元相位差分析，利用步驟(3)得到的單元散射方向圖函數(shù)，步驟(5c)得到的陣列天線(xiàn)散射場(chǎng)相位差Λ Vsnm,以及步驟(2a)得到的圓口徑窗函數(shù)Fmn，得到第t次z向安裝高度下，等間距矩形柵格圓口徑陣列天線(xiàn)的散射方向圖函數(shù)為:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(8)中，判斷計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足在增益損失最小同時(shí)其RCS縮減量最大的要求通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn): (Sa)若滿(mǎn)足要求，則此z向安裝高度即為實(shí)現(xiàn)陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合最優(yōu)的天線(xiàn)單元安裝高度； (Sb)若不滿(mǎn)足要求，則以V為更新速度，計(jì)算第t+Ι次更新的z向安裝高度為:
dz(t+1) = dz(t) +V(t+1) (14) 其中，dz (t)為第t次更新的z向安裝高度；第t+Ι次更新z向安裝高度的速度V (t+1)按如下公式計(jì)算:
V (t+Ι) = V (t).ω+c.r.[P(t)-Q(t)] (15) 其中，更新速度V的初值，即V (I)的取值為I ; ω為慣性權(quán)重，其取值為0.8 ;c為學(xué)習(xí)因子，其取值為2 ;r為[O，I]范圍內(nèi)的均勻隨機(jī)數(shù)；= 為第t次z向安裝高度相對(duì)于第一次z向安裝高度的歸一化值；P(t)代表是第t次計(jì)算的目標(biāo)值相對(duì)于工程設(shè)計(jì)指標(biāo)的歸一化值； (Sc)設(shè)第t次z向安裝高度下，輻射場(chǎng)增益損失量和散射場(chǎng)RCS縮減量分別為AG(t)和Λ R(t)，且工程設(shè)計(jì)中增益損失量的最大允許值為Λ Gmax，散射場(chǎng)RCS縮減量的最小值為Λ Rmin，則 P (t)為:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于安裝高度的陣列天線(xiàn)輻射和散射性能綜合設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟(8c)中，所述AG(t)應(yīng)滿(mǎn)足:AG(t) < AGmax ;所述AR(t)應(yīng)滿(mǎn)足 AR(t) ^ ARmin。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104036078SQ201410249972
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】王從思, 王偉鋒, 康明魁, 段寶巖, 王偉, 黃進(jìn), 孟娟, 陳光達(dá), 杜敬利, 米建偉 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)