一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法制造技术

本发明专利技术公开了一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法，属于共形相控阵天线技术领域。包括：建立曲面共形阵全局坐标系和天线单元局部坐标系；获取各天线单元的全局坐标、位置矢量和极化矢量；根据天线单元位置矢量和单元局部方向图计算得到各天线单元矢量方向图；根据波束指向角和单元极化矢量计算得到各通道极化补偿相位；对曲面共形圆极化相控阵天线进行总场合成，得到阵列方向图。本发明专利技术通过对每个通道加入极化补偿相位合成最佳极化，方法简单，易于实现，计算速度快，尤其适用于圆极化共形相控阵天线，具有很高的工程应用前景，是对现有技术的一种重要改进。

【技术实现步骤摘要】
一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法
本专利技术涉及共形相控阵天线
，特别是指一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法。
技术介绍
相控阵天线作为以阵列天线为主体的电子系统，其通过特定的馈电方式，可智能地控制和调整各阵列单元的幅度和相位，从而能够极其方便地实现信号在空间的功率合成，并且完成波束赋形和无惯性、灵活扫描。当天线阵列中各单元天线分布于电子系统平台的表面，并且与载体平台外形相吻合，便形成了共形相控阵天线。共形相控阵具有比平面相控阵更多的优点：扫描范围更大、平台空间利用率高、不影响载体的气动性能等。在共形阵中，由于天线单元最大指向不一致以及阵面曲率影响，造成辐射单元的方向图各不相同，阵因子与单元因子难以分离；并且各个单元的极化各不相同，导致产生的严重的交叉极化分量。因此，现有技术中的平面相控阵波束合成算法已不能适用于共形相控阵天线。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提出一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法，该方法易于实现，准确度高，具有很高的工程应用前景。基于上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法，其包括以下步骤：(1)建立对应于曲面共形阵的全局坐标系以及对应于各天线单元的多个局部坐标系；(2)获取各天线单元在全局坐标系中的位置分布、位置矢量和极化矢量；(3)根据各天线单元在全局坐标系中的位置分布以及各天线单元的局部方向图计算得到各天线单元的矢量方向图；(4)根据波束指向角和各天线单元的极化矢量计算得到各天线单元对应通道的极化补偿相位；(5)对曲面共形圆极化相控阵天线进行总场合成，得到阵列方向图。可选的，所述曲面共形阵为半径为R的球面共形阵，所述全局坐标系为以球顶为坐标原点O、令Z轴指向球顶正上方的O-XYZ坐标系；所述局部坐标系为以天线单元表面中心为坐标原点O′且Z′轴从球心沿径向指向球外的O′-X′Y′Z′坐标系，O′-X′Y′Z′坐标系的X′轴和Y′轴分别与球面矢量和重合，且O′-X′Y′Z′坐标系的X′轴和Y′轴还同时与合成天线单元圆极化的两个互相垂直的线极化方向重合。可选的，所述球面共形阵由N条自上而下排布的环形阵列组成，第一个环形阵列与球顶的弧形间距为d，相邻的环形阵列之间的弧形间距依次为d1、d2、……、dN-1；其中，自上而下的第n条环形阵列中等间距地排布有Mn个天线单元，并且自上而下各环形阵列中的1号天线单元的方位角依次为所述各天线单元在全局坐标系中的位置分布是指各天线单元在全局坐标系下的直角坐标(Xnm,Ynm,Znm)；所述各天线单元在全局坐标系中的位置矢量是指各天线单元在全局坐标系下的球坐标所述各天线单元在全局坐标系中的极化矢量是指各天线单元在全局坐标系下的极化方向矢量，并以合成天线单元圆极化的其中一个线极化矢量表示：n表示天线单元所在的环形阵列的序号，m表示天线单元在第n条环形阵列中的序号。可选的，所述步骤(3)的具体方式为：(301)获得天线单元的局部方向图其中，j为虚数单位，sinc表示辛格函数，和分别为天线单元局部坐标系的直角坐标基本矢量，为天线单元局部坐标系球坐标变量，fnmx、fnmy、fnmz是天线单元局部方向图的直角坐标分量，n1、n2为控制参量，用于控制圆极化天线单元的E面和H面波束宽度；(302)通过对局部方向图进行Euler旋转变换，得到全局坐标系下天线单元的矢量方向图n表示天线单元所在的环形阵列的序号，m表示天线单元在第n条环形阵列中的序号。可选的，所述步骤(302)的具体方式为：(3021)将矢量场全局球坐标表征转换为全局直角坐标表征，然后再将得到的矢量场全局直角坐标表征转换为局部直角坐标表征；(3022)将矢量场局部直角坐标表征转换为局部球坐标表征，再将天线单元方向图在局部球坐标系下的极化分量转换为局部直角坐标系下的极化分量；(3033)将天线单元在局部直角坐标系下的极化分量转换为全局直角坐标系下的极化分量，即可得到全局坐标系下天线单元的矢量方向图。可选的，所述步骤(4)的具体方式为：(401)根据球坐标和直角坐标变换公式，得到天线单元的极化矢量A、基准矢量B以及波束指向矢量C的直角坐标分别为：其中，为波束指向角，为天线单元在全局坐标系下的球坐标；(402)从方程组中求解出投影矢量D＝(x,y,z)；(403)计算投影矢量D与基准矢量B的夹角θt；(404)取基准矢量B与投影矢量D的叉乘E，根据E与波束指向矢量C的方向关系确定天线单元对应通道的极化补偿相位pnm：对于左旋圆极化，当E与C同向时，pnm取θt，当E与C反向时，pnm取360°-θt，对于右旋圆极化，当E与C同向时，pnm取360°-θt，当E与C反向时，pnm取θt；n表示天线单元所在的环形阵列的序号，m表示天线单元在第n条环形阵列中的序号。可选的，所述步骤(5)中的总场合成根据下式所示关系进行计算：其中，n表示天线单元所在的环形阵列的序号，m表示天线单元在第n条环形阵列中的序号，wnm为天线单元的加权值，是全局坐标系下天线单元的矢量方向图，为波束指向角，pnm是天线单元对应通道的极化补偿相位，j为虚数单位，exp表示以e为底的指数函数，k表示2π长度上出现的全波数目，(Xnm,Ynm,Znm)为天线单元在全局坐标系下的直角坐标。从上面的叙述可以看出，本专利技术技术方案的有益效果在于：1、现有技术中的共形相控阵波束综合算法大都采用线极化合成方式，由于每个天线单元需要旋转不同角度，因而这些方法的工程实现较为复杂，对于圆极化合成效果较差。而本专利技术将极化合成问题转变为相位补偿问题，根据共形相控阵天线波束指向角的变化，实时改变各通道极化补偿相位，能够在所有扫描角度下达到抑制交叉极化、合成最佳极化的目的，工程实现简便，计算速度快，尤其适用于圆极化共形相控阵天线。2、现有技术中的共形相控阵波束综合算法只能通过商业电磁仿真软件获取单元方向图，受具体天线单元形式限制较大，共形相控阵天线计算周期较长。而本专利技术通过构造天线单元方向图函数解析式的方式获得圆极化单元方向图，再通过坐标变换和矢量合成的方式合成阵列方向图，从而可以实现任意曲面共形圆极化相控阵天线的波束合成，函数构造灵活，计算速度快。总之，本专利技术通过对每个通道加入极化补偿相位合成最佳极化，方法简单，易于实现，计算速度快，尤其适用于圆极化共形相控阵天线，具有很高的工程应用前景，是对现有技术的一种重要改进。附图说明为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的
技术介绍
、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为示例性质的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立对应于曲面共形阵的全局坐标系以及对应于各天线单元的多个局部坐标系；(2)获取各天线单元在全局坐标系中的位置分布、位置矢量和极化矢量；(3)根据各天线单元在全局坐标系中的位置分布以及各天线单元的局部方向图计算得到各天线单元的矢量方向图；(4)根据波束指向角和各天线单元的极化矢量计算得到各天线单元对应通道的极化补偿相位；(5)对曲面共形圆极化相控阵天线进行总场合成，得到阵列方向图。

【技术特征摘要】
1.一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立对应于曲面共形阵的全局坐标系以及对应于各天线单元的多个局部坐标系；(2)获取各天线单元在全局坐标系中的位置分布、位置矢量和极化矢量；(3)根据各天线单元在全局坐标系中的位置分布以及各天线单元的局部方向图计算得到各天线单元的矢量方向图；(4)根据波束指向角和各天线单元的极化矢量计算得到各天线单元对应通道的极化补偿相位；(5)对曲面共形圆极化相控阵天线进行总场合成，得到阵列方向图。2.根据权利要求1所述的曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法，其特征在于，所述曲面共形阵为半径为R的球面共形阵，所述全局坐标系为以球顶为坐标原点O、令Z轴指向球顶正上方的O-XYZ坐标系；所述局部坐标系为以天线单元表面中心为坐标原点O′且Z′轴从球心沿径向指向球外的O′-X’Y′Z′坐标系，O′-X′Y′Z′坐标系的X′轴和Y′轴分别与球面矢量和重合，且O′-X′Y′Z′坐标系的X′轴和Y′轴还同时与合成天线单元圆极化的两个互相垂直的线极化方向重合。3.根据权利要求2所述的曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法，其特征在于，所述球面共形阵由N条自上而下排布的环形阵列组成，第一个环形阵列与球顶的弧形间距为d，相邻的环形阵列之间的弧形间距依次为d1、d2、……、dN-1；其中，自上而下的第n条环形阵列中等间距地排布有Mn个天线单元，并且自上而下各环形阵列中的1号天线单元的方位角依次为所述各天线单元在全局坐标系中的位置分布是指各天线单元在全局坐标系下的直角坐标(Xnm,Ynm,Znm)；所述各天线单元在全局坐标系中的位置矢量是指各天线单元在全局坐标系下的球坐标所述各天线单元在全局坐标系中的极化矢量是指各天线单元在全局坐标系下的极化方向矢量，并以合成天线单元圆极化的其中一个线极化矢量表示：n表示天线单元所在的环形阵列的序号，m表示天线单元在第n条环形阵列中的序号。4.根据权利要求1所述的曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法，其特征在于，所述步骤(3)的具体方式为：(301)获得天线单元的局部方向图其中，j为虚数单位，sinc表示辛格函数，和分别为天线单元局部坐标系的直角坐标基本矢量，为天线单元局部坐标系球坐标变量，fnmx、fnmy、fnmz是天线单元局部...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宙，韩国栋，段永强，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13