基于双阵元组合子阵的相控阵设计方法及系统

本发明属于射频系统与无线通信，具体涉及一种基于双阵元组合子阵的相控阵设计方法及系统。

背景技术：

1、相控阵天线因其波束扫描速度快、空间功率合成能力强、抗干扰能力好等显著优点，在雷达探测、卫星通信、5g/6g移动通信以及射频传感等领域得到了广泛的应用。随着新一代信息技术的发展，系统对天线增益和空间分辨率的要求不断提升，相控阵天线的阵元规模变得越来越大。传统的全阵元独立控制相控阵架构中，每一个阵元都需要独立连接一个完整的射频收发（t/r）组件或波束成形通道。对于大规模相控阵系统而言，这种硬件架构会导致系统所需元器件数量极其庞大。这不仅使得系统的硬件制造成本极其高昂，同时还带来了功耗大、热管理困难、布线极其复杂等一系列工程难题，难以满足现代商业和航空航天应用中对于低成本、低功耗、轻量化的发展需求。

2、为了降低大规模相控阵的成本和系统复杂度，业界通常采用子阵拼接相控阵架构。即将若干个相邻的阵元划分为一个子阵，同一子阵内的阵元经过射频合成后，共用一个波束成形通道。这种方法虽然有效减少了通道数量，但目前现有的子阵排布大多采用规则的周期性排布方式。由于子阵内部阵元的馈电相位或幅度通常是统一控制或存在固定的相差关系，这种周期性的排布架构在进行大角度波束扫描时，会导致相位量化误差在空间上产生明显的周期性积累，从而在天线辐射方向图上激发出高电平的量化栅瓣。量化栅瓣的出现不仅会分散天线的主波束能量、降低天线增益，还会接收或发射非期望方向的干扰信号，严重恶化相控阵系统的空间滤波性能和电磁兼容性。此外，在传统的子阵射频通道设计中，如果在接收端先使用无源合路/功分网络对阵元信号进行物理合成，然后再送入lna/pa进行放大，合路/功分网络引入的插入损耗会直接叠加到系统的最前端，导致系统整体的射频链路显著恶化，严重降低雷达或通信系统的灵敏度。

3、因此，本领域亟需一种新型的相控阵阵面与射频架构设计方法，该方法既能有效减少射频收发组件和通道的数量以降低成本与功耗，又能打破传统子阵的周期性限制以消除量化栅瓣的影响，同时还能保证系统优良的射频链路性能与整体辐射特性。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有大规模相控阵天线系统中全阵元独立控制架构导致的硬件成本高、功耗大、系统复杂度高，传统子阵周期性排布在波束扫描时易产生高电平量化栅瓣等诸多技术缺陷，提供一种基于双阵元组合子阵的相控阵设计方法及系统。本发明旨在保证系统辐射性能的前提下，使波束成形射频通道数量减半，并在后置lna/pa配置中使有源收发组件数量减半，同时有效抑制量化栅瓣。

2、技术方案：为实现本发明的目的，本发明采用以下方案：

3、本发明首先提供一种基于双阵元组合子阵的相控阵设计方法，包括以下步骤：

4、构建相控阵系统架构：提供包含天线阵列、合路器/功分器和波束成形网络的相控阵物理架构；其中，所述天线阵列共m个阵元，分别命名为a1,1、a1,2、a2,1、a2,2…an,1、an,2，被划分为n个双阵元子阵，m=2×n；每个所述双阵元子阵均由两个相邻的阵元构成；

5、子阵非规则排布与拼合：使各个所述双阵元子阵在阵面上采用随机、非规则的排布方式相互拼合，构成完整天线阵列；

6、配置射频通道连接：在所述相控阵物理架构中配置波束成形射频通道，使同一所述双阵元子阵内的两个阵元通过对应的合路器/功分器共同连接至所述波束成形网络中同一个波束成形射频通道。

7、进一步地，所述完整天线阵列的外部边界呈任意非规则轮廓形状。

8、进一步地，在所述完整天线阵列的边界内部，所有阵元位于周期性网格节点上，而所述双阵元子阵的组合方向及拼合位置在所述网格节点上呈现随机性与非周期性分布。

9、进一步地，所述双阵元子阵在所述周期性网格节点上具有两种不同的摆放取向，具体为水平方向排列或垂直方向排列；各个所述双阵元子阵分别以水平方向或垂直方向随机交错拼合，构成所述完整天线阵列。

10、进一步地，所述随机、非规则的排布方式是通过天线阵列综合优化算法生成的，在满足完整天线阵列轮廓约束和辐射性能要求的条件下，迭代优化并确定每一个所述双阵元子阵在网格节点上的摆放取向与物理位置。

11、进一步地，所述双阵元子阵内的两个阵元复用同一个波束成形射频通道，整体相控阵系统所需的波束成形射频通道总数量为n，为所述天线阵列中总阵元数量m的二分之一。

12、进一步地，该方法还包括实现相控阵波束重构的步骤：通过控制所述波束成形网络，独立调节各个所述波束成形射频通道的幅度和相位权值，配合所述非规则排布的双阵元子阵，实现辐射波束的动态扫描或赋形重构。

13、本发明还提供一种相控阵天线系统，采用了所述的基于双阵元组合子阵的相控阵设计方法，该系统包括：

14、天线阵列，由n个双阵元子阵拼合而成，每个所述双阵元子阵由两个相邻的阵元构成，各个所述双阵元子阵在阵面上呈随机、非规则的排布；

15、合路器/功分器，每个所述合路器/功分器对应一个双阵元子阵；

16、波束成形网络，包含n个波束成形射频通道；

17、同一所述双阵元子阵中的两个阵元通过对应的合路器/功分器共同连接至所述波束成形网络中同一个波束成形射频通道。

18、进一步地，还包括低噪声放大器/功率放大器（lna/pa），所述低噪声放大器/功率放大器设置于每一个所述阵元与所述合路器/功分器之间，或者设置于所述合路器/功分器与所述波束成形射频通道之间。

19、进一步地，所述波束成形射频通道的数量n为所述天线阵列中总阵元数量m的二分之一，即n = m/2。

20、有益效果：本发明相比现有技术，具有如下的有益效果：

21、1）大幅降低硬件成本与系统功耗。本发明采用双阵元子阵共用单个射频通道的架构，使通道数与总阵元数呈1:2的比例配置。在保证相控阵孔径大小的前提下，将波束成形射频通道及射频控制通道的数量减少一半；在后置lna/pa配置中，有源收发组件数量也可减半。显著降低了生产制造和硬件采购成本，同时也大幅减小了相控阵系统的整体功耗与散热压力。

22、2）有效抑制并消除量化栅瓣。本发明通过引入双阵元子阵在二维平面上的随机、非规则交错拼合机制，成功打破了传统固定形状子阵级相控阵由于周期性排布带来的空间相位恶化。该机制使得大角度波束扫描时的量化误差在空间中随机化分布，有效抑制了量化栅瓣的电平抬升，保证了天线阵列在宽角度扫描时依然具备优良的低旁瓣辐射性能。

23、3）保障并优化了接收系统g/t和发射系统eirp。本发明当lna/pa置于阵元与合路器/功分器之间时，可规避合路器/功分器插损对接收灵敏度或发射eirp的影响；当lna/pa置于合路器/功分器与波束成形射频通道之间时，可减少有源组件数量，降低功耗与热管理压力。在前置lna/pa配置中，可显著降低系统前端链路损耗，确保大规模相控阵天线系统出色的灵敏度和探测距离。

24、4）支持边界形状与波束形态的双重可重构。本发明的排布设计可以适配不限于矩形、圆形等任意边界形状的异形阵面。同时，结合非规则双阵元子阵布局，通过独立控制各射频通道的幅相权值，系统能够高自由度地实现波束的动态扫描、多波束重构或赋形重构，极大地提升了雷达与无线通信系统在复杂电磁环境下的自适应工作能力。

25、5）优化热管理并提升系统长期可靠性。传统全阵元独立控制的相控阵天线由于有源收发组件密集排布，带来了严峻的散热挑战。本发明通过双阵元复用单通道的架构，使阵面波束成形射频通道数量减半；在后置lna/pa配置中，有源组件数量也可减半，从而有利于降低阵面整体发热量与局部热点温度。这较大程度上缓解了系统的热管理压力，不仅降低了散热结构的重量和成本，还显著提升了有源器件的平均无故障时间和系统长期工作的可靠性。

26、6）满足航空航天及移动平台的轻量化需求。对于星载、机载、车载等移动平台而言，系统的尺寸、重量和功耗是极其关键的制约因素。本发明在不牺牲天线孔径面积（即保证空间分辨率）的前提下，通过裁减一半的射频控制通道，有效减少了背板走线层数、控制排线以及相关供电与散热附属模块的体积与重量，实现了相控阵阵面的高度轻量化与小型化，极大拓宽了该技术在航空航天及高机动平台上的应用前景。