一种非迭代调零天线阵列的实现方法

1.本发明涉及天线阵列，尤其涉及一种非迭代调零天线阵列的实现方法。


背景技术：

2.随着卫星导航、通信等领域的迅猛发展，抗干扰能力成为无线通信系统的一个重要性能指标，这就需要相控阵天线对干扰方向进行屏蔽或抗干扰，目前，调零天线技术可以有效抑制定向电磁干扰，成为通信抗干扰的重要手段。在已有的调零天线技术中，以最大功率传输效率法最小特征值对应的激励分布来使阵列天线调零的方法只能控制阵列零陷方向，对于辐射方向不能加以控制，缺乏实用性；以阵因子结合迭代算法为代表的阵列天线调零的方法较为有效，但其通常不考虑阵列单元间的耦合，且随着阵列单元以及阵列结构复杂度的增加，其计算量会呈指数式增长，或者直接无法收敛导致失效。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是提供一种考虑阵列单元间的耦合、能降低计算量、适用于任何阵列分布形式的非迭代调零天线阵列的实现方法。
4.技术方案：本发明的调零天线阵列实现方法，包括步骤如下：s1，给定辐射方向与v个零陷方向，确定阵列天线的单元数m及工作频率，通过cst电磁仿真软件添加频率处的远场监视器,对阵列天线进行全波仿真，获取频率处各单元在辐射方向与v个零陷方向处的电场与磁场，其中，k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v；s2，采用最大功率传输效率法，分别求出在辐射方向与v个零陷方向达到最大辐射功率时的激励分布；s3，通过构建复系数线性方程组求解出使零陷方向电场为零的复系数；s4，求出最终所需阵列主瓣指向辐射方向上，零陷方向上达到零陷效果的激励分布。
5.进一步，所述步骤s2中，在辐射方向或零陷方向上达到最大辐射功率时的激励分布求解过程如下：设定能量传输效率pte为通过n个区域面积sp的辐射电磁能量和总输入功率之比，其表达式为：其中，为输入功率， 为第n个方向的方向向量； 表示共轭转置,re表示取实部；
设定阵列单元均匹配，发射天线阵列辐射的电场与磁场分布为：其中， 为复数，表示第j个发射天线单元的激励幅度和相位；和分别表示当阵列的第j个天线单元输入功率为1w，且其余天线单元均接匹配负载时产生的电场与磁场；则有：其中，是一个 矩阵，其矩阵第行第 列元素为：则能量传输效率 简写为：其中，运算符(
·
，
·
)表示两个复数列向量的内积；那么，矩阵 最大特征值对应的特征向量为能量传输效率pte达到最大时的激励分布。
6.进一步，所述步骤s2中，通过最大功率传输效率法分别求出辐射方向与各个零陷方向上达到最大辐射功率时的激励分布；[ar]表示辐射方向上达到最大辐射功率时的激励分布，[ak]表示第k个零陷方向上达到最大辐射功率时的激励分布，其中k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v；通过仿真软件全波仿真获得每个阵列单元在远场区不同零陷方向产生的电场，其中，表示阵列的第m个天线单元由1w功率激
励时在零陷方向方向上、在远场区产生的电场，其余天线单元均接匹配负载。
[0007]
进一步，所述步骤s3中，求出[ar]、[ak]经过线性组合后，通过引入一组未知复系数[c]=[c1, c2,
ꢀ…ꢀcv
]，以抵消[ar]在零陷方向的辐射模式的电场，则线性方程组为：进一步，所述步骤s4中，最终确定的1个辐射方向与v个零陷方向的激励分布[af]为：
ꢀꢀ
。
[0008]
本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、本发明将阵列的调零过程转化为收发系统的能量传输问题，不局限于天线的形式与排列，故对于任意排布方式的阵列天线，只要在其物理特性允许范围内，该阵列调零方法均适用；并且该方法为非迭代算法，计算速度快、计算资源耗费少；2、通过最大传输效率法实现的零陷效果零陷较深，且对主瓣影响较小，保证了主瓣方向的高增益。
附图说明
[0009]
图1为本发明的阵列天线示意图；图2（a）为天线单元示意图，图2（b）为天线阵列示意图；图3为阵列单元示意图；图4为本发明激励馈入阵列后3.4ghz处xoz面辐射方向图；图5为本发明激励馈入阵列后3.4ghz处xoz面辐射方向图；图6为本发明激励馈入阵列后3.4ghz处xoz面辐射方向图。
具体实施方式
[0010]
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
[0011]
本发明提供了一种非迭代阵列天线调零的实现方法。当给定阵列天线的辐射方向与零陷方向的性能指标后，通过最大功率传输效率法分别求出阵列天线在辐射方向达到最大辐射功率时的激励分布和零陷方向达到最大辐射功率时的激励分布，然后求出各激励分布在给定零陷方向的电场，通过电场互相抵消达到零陷效果，构建复系数方程，求出零陷方向上电场为零时的激励分布。
[0012]
如图1所示，由m个天线单元组成的阵列天线，对其n个方向的辐射功率，通过一定
面积电磁辐射功率，可以利用坡印廷矢量对一定面积积分得到。与表示发射天线阵列的归一化入射波和反射波，上标t表示向量的转置。引入性能指标能量传输效率（pte，power transmission efficiency），为通过面积sp的辐射电磁能量和总输入功率之比，其表达式表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，为输入功率，为指定方向的方向向量，表示共轭转置，re表示取实部；若阵列单元均匹配，发射天线阵列辐射的电场和磁场可以写成： 其中，为复数，表示第j个天线的激励幅度和相位（实部代表激励幅度，虚部代表相位）； 和分别表示当阵列的第个天线单元输入功率为1w，且其余天线单元均接匹配负载时产生的电场与磁场；故式（1）中分子可改写为：其中，表示第i(i≠j)个天线的激励幅度与相位的共轭转置；是一个 矩阵，其矩阵第行第列元素为:为方便表示，可简写为：其中，运算符(
·
，
·
)表示两个复数列向量的内积；；那么，矩阵最大特征值对应的特征向量为能量传输效率pte达到最大时最佳的激励分布。
[0013]
基于以上理论，在阵列天线性能允许范围内，可获得阵列指定辐射方向上达到最大辐射功率时的激励分布。进一步的，当给定1个辐射方向与v个零陷方向
ꢀꢀ
(k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)的性能指标后，通过最大功率传输效率法分别求出辐射方向与各个零陷方向上达到最大辐射功率时的激励分布（分别命名为[ar]，[ak] (k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)）,[ar]表示辐射方向上达到最大辐射功率时的激励分布，[ak] (k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)表示第k个零陷方向上达到最大辐射功率时的激励分布；再通过仿真软件全波仿真可以获得每个阵列单元在远场区不同零陷方向产生的电场 ( 表示阵列的第m个天线单元由1w功率激励时在(k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)方向上在远场区产生的电场，其余天线单元均接匹配负载)，设计零陷天线阵列的方法为：将[ar]作为最终激励分布的主要组成，确保在所需方向上的最大辐射。另一方面，[ak] (k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)充当最终激励分布的辅助组成，这些辅助分布被线性组合，以抵消[ar]在零陷方向的辐射模式的电场，通过引入一组未知复系数[c]=[c1, c2,
ꢀ…ꢀcv
]，则最终的线性方程组为：则最终确定的1个辐射方向与v个零陷方向(k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)的激励分布[af]为：本发明采用以下方案实施：一款天线阵列，一款电磁仿真软件，实现阵列零陷的工作方法包括以下步骤：步骤s1：辐射方向与v个零陷方向(k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)，确定阵列天线的单元数m及工作频率，通过cst电磁仿真软件添加频率处的远场监视器,对阵列进行全波仿真，获取频率处各单元在辐射方向与v个零陷方向(k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)处的电场与磁场。
[0014]
步骤s2：通过最大功率传输效率法分别求出在辐射方向与n个零陷方向(k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)达到最大辐射功率时的激励分布（分别命名为[ar]，[ak] (k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)）。
[0015]
步骤s3：由公式（7）求出[ar]，[ak] (k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)经过线性组合后使零陷方向(k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)电场为零的复系数[c]=[c1, c2,
ꢀ…ꢀcv
]。
[0016]
步骤s4：由公式（8）最终确定辐射方向与v个零陷方向(k = 1, 2,
ꢀ…ꢀ
v)的激励分布[af]，将[af]馈入阵列验证。
[0017]
本实例提供一款8单元等间距阵列天线，阵列单元间距为30mm，阵列单元为微带贴片天线，结构如图2（a）、2（b）所示，谐振频率为3.4ghz，具体的尺寸为：片天线，结构如图2（a）、2（b）所示，谐振频率为3.4ghz，具体的尺寸为：，基板采用f4b材料(介电常
数，损耗角正切 )。给定的性能指标为：一个辐射方向=20
°
，一个零陷方向=-10
°
；实现阵列零陷的工作方法包括以下步骤：步骤一：将阵列天线在cst电磁仿真软件中建模并计算3.4ghz的辐射电场分布，对阵列进行全波仿真，天线阵列单元如图3所示，获取频率3.4ghz处各单元在辐射方向与零陷方向远场区的电场与磁场。
[0018]
步骤二：通过最大功率传输效率法分别求出辐射方向与零陷方向上达到最大辐射功率时的激励分布如表1（分别命名为[ar]、[a1]），将[ar]、[a1]馈入阵列天线验证，其xoz面辐射方向图分别如图4、图5所示。
[0019]
表1步骤三：再由公式（7）求出[ar]、[a1]经过线性组合后使零陷方向电场为零的复系数[c]=[c1]。
[0020]
步骤四：由公式（8）最终确定辐射方向与零陷方向的激励分布[af]，将[af]馈入阵列验证，其xoz面辐射方向图如图6所示，可知，在辐射方向与零陷方向，实现了性能指标。
[0021]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的覆盖范围。