一种基于z轴制约的圆锥面共形阵列天线阵设计方法.pdf

收稿日期2023-06-02作者简介杨宇(1991),本科,工程师,从事工业信息技术和化学工程工作。一种基于 z 轴制约的圆锥面共形阵列天线阵设计方法杨宇(广东宇成达通信科技有限公司,广东广州 510062)关键词圆锥面共形阵列天线;阵元排列;仿真摘要介绍了一种基于 z 轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法,适用于圆锥形表面的物体。该方法利用有序统计量的特性,对多径干扰和杂波进行了有效的抑制和消除,同时通过相干系数进一步对多径消除进行验证。中图分类号 TN957.2 文献标识码 A 文章编号1004-9118(2023)03-0009-03DOI:10.14023/ki.dqfb.2023.03.003A Design Method for Conical Conformal Array Antenna Based on Z-axis ConstraintsYang Yu(Guangdong Yuchengda Communication Technology Co.,Ltd.,Guangzhou Guangdong 510062)Key words:conical conformal array antenna;array element arrangement;simulationAbstract:It introduces a design method for conical conformal array antennas based on Z-axis constraints,which is suitable for objects with conical surface.It utilizes the ordered statistics to sup-press and eliminate multipath interference and clutter.Also the coherence coefficient is used to veri-fy multipath cancellation.0引言随着各种雷达设备在日常生活中应用越来越广泛,普通的线性阵列天线已经不能满足正常需求,因此人们开始使用平面阵列雷达,但是平面雷达存在体积大的不足。共形阵列天线是一种很好的解决方案,由一组放置在圆锥面上的天线元件组成,可以独立地接收和发射无线电信号1。圆锥面共形阵列天线具有高增益、宽带、多波束形成和干扰抑制能力等优点,在卫星通信、无线通信、航空航天和雷达系统等领域得到广泛应用2。在圆锥面共形阵列天线中,通过调节天线元件的几何排列和相位控制,可以精确地调整天线的辐射特性。通过操纵天线元件的相位和幅度,可以实现波束的指向和扫描,从而在特定方向获得高增益和增强的信号接收。这种灵活性使圆锥面共形阵列天线成为解决各种应用需求的理想选择3-4。圆锥面共形阵列天线对多径传播和干扰源具有强大的抗干扰能力。通过利用自适应信号处理和波束成形技术,可以在复杂的无线环境中抑制信号并减轻干扰,从而提高系统的可靠性。圆锥面共形阵列天线应用领域广泛,可以适应于物体表面。此外,天线增益是天线极为重要的一个参数,可以衡量天线辐射能量的集中程度和收发信号的能力。当天线置于爆炸危险区时,应按相关要求限定射频辐射的输出功率或能量,或者其他特殊措施。1理论内容本文目的是为解决室内场景下多人体目标行9研发与设计一种基于 z 轴制约的圆锥面共形阵列天线阵设计方法为姿态检测中的多径干扰问题,提出了一种结合基于统计量的帧间跟踪和多普勒信息相干系数的多径消除方法。本文所述一种基于 z 轴制约的圆锥面共形阵列天线设计方法,包含两个阶段5:阶段一:任意阵元的排列模式构建三维阵列元素排列的模型非常重要,从阵列元素的几何关系开始,以实现圆锥面阵列的建模。使用的阵元被安装在一个三维表面上,假设任意元素的位置为(xi,yi,zi),对应的向量为:ri=axxi+ayyi+azzi(1)假设目标方向的方位角和俯仰角为(,),对应的向量为:r=axsincos+aysinsin+azcos(2)要求第 i 个辐射源相对于远场点的相位参考点的相位贡献为:i=-k(rir),k=2(3)在远场中,第 i 个元素的相位贡献为 e-jkreji,远场处叠加的总电场为:E(,)=N1Iieji(,)(4)其中 Ii是第 i 个元素的复电流。阶段二:阵列的布局形式本文使用的共形阵列天线的布局是通过改变阵列阵元在 Z 轴上的坐标来改变每个环层的半径,因此这种方法被称为 Z 轴递减法。共形阵列天线的阵元被排列在圆锥面上。为了避免产生栅瓣,使用 d1=0.61,然后指定一种没有闸门瓣的阵列间距范围:0.6 d 0.68(5)根据每个环层阵列的周长和阵列间距,确定下一层阵列的数量:Nm=2rmdm(6)如果假设在此条件下,阵元的间距满足定义的无栅瓣生成的范围,则可以确定此层的阵元数量:0.6 dm+1=2rm+1Nm 0.68(7)如果间距超出指定的范围,将指定范围的最小值作为该层的阵元间距,以获取该层的阵元数量:N(m+1)=2r(m+1)dmin,dmin=0.6(8)得到环形阵列天线每个层次的阵列间距和阵元数量,并将其写成一个矩阵:(N1,d1)(N2,d2)(Nn,dn)(9)接下来,介绍本次设计的阵列的阵元位置。z轴坐标是半径关于层数的均分值:zm=rm-1n,1 m n(10)z=0,r1n,rm-1n,rn-1n(11)在上述方程中,m 是当前层数,n 是环形阵列的总层数,H 是圆锥面高度,是圆锥角。由于设计的是一个圆锥面共形阵列,根据 z 和 H、,可以得到以原点为参考点的任意层阵列的半径。rm=(H-zm)tan(12)此时可以根据每个阵元所在层数的半径和 z轴信息求出球坐标中的信息:=arctanrmzm(13)然后,在 x-y 轴上,根据元素的数量,每个层的元素均匀分布,因此可以得到任意元素的位置信息。(r1,1,1,1)(r1,1,N1,1)(rn,n,1,n)(rn,n,Nn,n)(14)详细流程如图 1 所示。图 1方法流程图2仿真结果阵列在 x-y 二维平面上的分布如图 2 所示。01电气防爆 2023 年 6 月第 3 期以按层布阵的形式展示本圆锥面共形阵列的结果,如图 3 所示。图 2阵列在二维平面上的分布图 3阵列在三维空间中的分布以按层布阵的形式展示本圆锥面共形阵列的结果:z 轴圆锥面阵列的高度为 0.5 m,圆锥的母线长 0.58 m,圆锥角为 30,设计层数为 13,波束扫描范围在方位角维度,仰角维度,设计波段为10 GHz,不产生栅瓣,使用阵元为全向天线。具体流程:(1)给出设计圆锥面阵列的物理信息和设计要求,如圆锥母线长、圆锥高度、设计波段、扫描角度、设计层数等,阵列仿真假设将主瓣波束指向俯仰角 30,方位角 45;(2)确定不产生栅瓣的波长范围 0.6 0.68;(3)根据层数和圆锥面高度得到每层的 z 轴取 值:0,0.03846,0.0769,0.1154,0.1538,0.1923,0.2308,0.2692,0.3077,0.3462,0.3846,0.4231,0.4615;(4)根据底层圆的半径和最小阵元间隔得到底层圆环阵列个数 121;(5)将底层阵列个数用于其上一层,通过计算得到阵元间隔,是否满足不产生栅瓣范围,如不满足,则用(3)中的方法计算本层阵元个数;(6)依次根据(4)中的方法计算每层的阵元个数:121,113,104,94,85,75,66,56,47,37,28,18,9;(7)每层的阵元均匀分布在每层的圆环上。效果比较:相比于传统的平面阵列方法,本文适用于形状为圆锥型,并且对于空间利用率和主旁瓣比要求较高的物体。形成的三维方向图如图4 所示,其中俯仰维和方位维的二维方向图如图 5所示。图 4三维方向图图 5俯仰维和方位维的二维方向图参考文献1赵大鹏,贾振国.共形阵列天线引入的距离零值变化估计J.无线电工程,2019,49(11):980-985.2刘帅,周洪娟,金铭,等.锥面共形阵列天线的极化-DOA 估 计 J.系 统 工 程 与 电 子 技 术,2012,34(02):253-257.3Li Y,Yang F,Ouyang J,et al.Synthesis of Conical Conformal Array Antenna Using Invasive Weed Optimi-zation MethodJ.Applied Computational Electromag-netics Society journal,2013,28(11).4Jiheng J,Shixing Y,Na K,et al.Generation of orbit-al angular momentum vortex beams with cylindrical and conical conformal array antennas J.International Journal of RF and Microwave Computer Aided Engi-neering,2021,32(1).5李 文 涛.超 宽 带 天 线 设 计 及 共 形 阵 列 综 合 研 究D.西安电子科技大学,2010.11研发与设计一种基于 z 轴制约的圆锥面共形阵列天线阵设计方法