一种基于定向双圆阵的立体阵列天线及其构建方法技术

本发明专利技术涉及一种基于定向双圆阵的立体阵列天线及其构建方法，所述立体阵列天线包括两个完全相同的平面定向圆阵，每一平面定向圆阵均包含若干阵元；两个圆阵所在的平面呈一可调夹角γ，两个圆阵所在平面的交线不通过两圆阵中的任一阵元的中心，且两个圆阵中的阵元沿所述交线对称分布，每个圆阵的圆心距所述交线的距离为d；所述夹角γ根据利用理论来波方向下测向误差与夹角γ的关系确定。立体阵列天线的构建过程包括建立坐标系、建立测向模型、建立测向误差模型、确定立体阵列天线的夹角四个步骤。本发明专利技术公开的立体阵列天线基于窄波束定向阵列构建，在不降低传统五元圆阵大仰角区域测向精度的基础上，有效提升了特定较低仰角区域的测向精度。

A stereoscopic array antenna based on directional dual circular array and its construction method

The invention relates to a three-dimensional array antenna based on dual directional circular array and its construction method, the three-dimensional array antenna comprises two identical planar directional circular array, each plane directional circular array contains several elements; two circular array plane with an adjustable angle, two circular array the plane intersection is not through any two circle in the center of the array, and the two circular array element along the intersection of symmetric distribution, each circular array from the intersection of the center distance of D; the angle is determined according to the relationship between the use of theory to wave direction errors and clamp the angle. The construction process of three dimensional array antenna includes four steps: establishing a coordinate system, establishing a direction finding model, establishing a direction finding error model, and determining the angle between the three dimensional array antenna. Based on the narrow beam steering array, the stereoscopic array antenna disclosed by the invention can effectively improve the direction finding accuracy of a specific low elevation area on the basis of not reducing the direction finding accuracy of the traditional five element circular array with large elevation angle.

【技术实现步骤摘要】
一种基于定向双圆阵的立体阵列天线及其构建方法
本专利技术涉及阵列天线测向领域，尤其涉及一种基于定向双圆阵的立体阵列天线及其构建方法。
技术介绍
阵列天线测向系统是一种重要的被动式测向装备，相对于主动工作的雷达系统，除了具有抗截获、抗干扰等优点外，还具有测向精度高、体积重量小、成本低等优点，近年来受到重视，并已多次应用于星载装备。当前常用的测向阵列天线多为平面阵，即多个阵元处于同一平面。应用过程中，此类平面阵在阵面法向区域(通常为卫星星下点位置)往往可以得到比较理想的测向精度，但在偏离阵面法向方位较远的区域(通常为较低仰角区域)测向精度显著下降。然而，在一些特定场景中，除希望阵面法向位置具有较高测向精度外，在偏离法向方位较远的区域仍希望具有较高的测向精度。为了满足在保证在阵面法向位置具有较高测向精度的同时加强在偏离法向方位较远的区域的测向精度，通常的做法有阵面偏置、加大阵元尺寸、加大基线长度等。其中，阵面偏置就是通过将阵面的安装平面旋转一定角度以满足应用需求，但这种做法是以牺牲原阵面法向区域测向精度为代价的。加大阵元尺寸的本质是通过提升接收信号的信噪比，改善相位差测量精度以提升各区域的测向精度，但对于一些低频段的测向阵存在阵元尺寸原本就较大的问题，进一步加大阵元尺寸将会给阵元的安装、布局带来更大的压力。加大基线长度也将有助于各区域测向精度的提升，但无疑会带来测向模糊的问题。目前也出现了一些应用立体阵列天线的方案，其通过在传统平面阵列的基础上添加非共面阵元/阵列的方式构建立体阵以保证多个感兴趣区域的测向精度。然而目前的相关立体阵列天线均采用全向波束天线/阵列，而全向天线方向指向性不强，目前还不存在对在较低仰角区域的测向精度高的定向天线的相关研究。
技术实现思路
鉴于上述的分析，本专利技术提出一种基于定向双圆阵的立体阵列天线及其构建方法，采用定向高增益窄波束立体阵列天线，解决了较低仰角区域的测向精度不高或方向指向性不强的问题。本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：一种基于定向双圆阵的立体阵列天线，包括两个完全相同的平面定向圆阵，每一平面定向圆阵均包含若干阵元；两个平面定向圆阵所在的平面呈一可调夹角γ，两个平面定向圆阵所在平面的交线不通过两个平面定向圆阵中的任一阵元的中心，且两个平面定向圆阵中的阵元沿所述交线对称分布，每个圆阵的圆心距所述交线的距离为d；所述夹角γ根据利用理论来波方向下测向误差与夹角γ的关系确定。上述专利技术的有益效果是：立体阵列天线由方向指向性强的定向圆阵天线构成，相对于全向天线，能够更加稳定均匀的接收特定方向上的辐射源信号；同时立体阵列天线中两阵元夹角可以根据待测辐射源初验方位进行调节，操作方便，适用性强，相对于平面天线，在保证阵面法向位置具有较高测向精度的同时，提高了较低仰角区域的测向精度。进一步，所述两个平面定向圆阵为定向五元圆阵，均由五个完全相同的高增益窄波束阵元均匀分布构成，圆阵的半径r为圆阵中心到圆阵中任一阵元中心的距离。采用上述进一步方案的有益效果是：采用高增益窄波束阵元增强了接收到的辐射源信号的强度，增加了抗干扰能力。本专利技术还提供了一种构建所述立体阵列天线的方法，包括下述步骤：步骤S1，针对所述定向双圆阵的立体阵列建立坐标系；步骤S2，在上述坐标系下，建立用于对辐射源的来波方向进行估算的测向模型；步骤S3，根据上述测向模型，建立测向误差模型，得到理论来波方向下测向误差与夹角γ的关系；步骤S4，利用上述理论来波方向下测向误差与夹角γ的关系，确定具体定向测量时立体阵列天线的γ值。上述专利技术有益效果如下：通过建立测向模型，进而建立测向误差模型，以便得到两圆阵的夹角与测向精度的关系，从而在具体测向时只需根据先验的辐射源方位确定两圆阵的夹角，即可完成立体阵列天线的构建，过程操作简单，所建立的立体阵列天线针对特定方位测向效果良好，在不降低传统五元圆阵大仰角区域测向精度的基础上，可有效提升特定较低仰角区域的测向精度。进一步，所述步骤S2中建立测向模型，具体包括以下步骤：步骤S201：建立相位测量值矩阵；步骤S202：计算上述相位测量值矩阵中测量初始相位的值；步骤S203：求取上述相位测量值矩阵中相位测量误差矩阵；步骤S204：基于最小二乘法构建测向模型。采用上述进一步方案的有益效果是：构建测向模型，用于对来波方向进行估算。进一步，所述步骤S201中建立的相位测量值矩阵为：式中，α、β分别为辐射源方位角和俯仰角；f1(α,β)、f2(α,β)分别为两圆阵的理论值矩阵，且f1(α,β)、f2(α,β)均与阵列构型有关，f2(α,β)还与两圆阵之间的夹角γ有关；和分别为两圆阵的相位测量误差矩阵；δ1、δ2分别为两圆阵的测量初始相位，仅与测量时刻有关。进一步，所述f1(α,β)、f2(α,β)的具体数值由下式确定：f1(α,β)＝A·ηf2(α,β)＝A·V·η式中，A为测向阵基线矩阵，η为辐射源方位矢量，V为测向阵旋转矩阵；具体地：式中，r为圆阵的半径，λ为波长，γ为两圆阵之间的夹角。进一步，所述基于最小二乘法构建的测向模型为：式中，为辐射源波达方向矢量估计值，为待测辐射源来波方向矢量，为辐射源来波方向与两个定向五元圆阵最大增益方向的夹角，是辐射源来波方向与两个定向五元圆阵最大增益方向夹角为时相位测量误差的方差，为圆阵的相位，为辐射源波达方向的方位角的估计值，为辐射源波达方向的俯仰角的估计值；i＝1或2，分别表示定向五元圆阵1和定向五元圆阵2。进一步，所述步骤S3根据测向误差模型，估计得到的辐射源来波方向与实际来波方向的夹角方差为：式中，即为方位角测量误差方差，即为俯仰角测量误差方差，β0为辐射源波达方向俯仰角的理论值。进一步，所述步骤S4中确定具体定向测量时立体阵列天线的γ值，包括：针对夹角γ的不同取值计算所对应的不同方位角α0、俯仰角β0组合下的测向误差，从而获得某一确定方位角α0、俯仰角β0下测向精度达到最高时夹角γ的值。采用上述进一步方案的有益效果如下：通过获得某一确定方位角α0、俯仰角β0下测向精度达到最高时夹角γ的值，为具体定向测量时两圆阵的夹角数值的选定提供参考。进一步，所述确定具体定向测量时立体阵列天线的γ值，还包括：根据先验的辐射源的空间方位，选取该方位下测向精度最高时对应的两圆阵的夹角γ0，完成立体阵列天线的构建。采用上述进一步方案的有益效果如下：选定两圆阵的夹角既完成立体阵列天线的构建，操作方便。本专利技术中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本专利技术的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。附图说明附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。图1示出了平面定向五元圆阵示意图；图2示出了基于定向双圆阵的立体阵列天线示意图；图3示出了基于定向双圆阵的立体阵列天线构建的流程图；图4示出了测向模型坐标系建立示意图；图5示出了夹角γ＝100°时，基于定向双圆阵的立体阵列天线的测向精度等高线图；图6示出了夹角γ＝120°时，基于定向双圆阵的立体阵列天本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于定向双圆阵的立体阵列天线，其特征在于，包括两个完全相同的平面定向圆阵，每一平面定向圆阵均包含若干阵元；两个平面定向圆阵所在的平面呈一可调夹角γ，两个平面定向圆阵所在平面的交线不通过两个平面定向圆阵中的任一阵元的中心，且两个平面定向圆阵中的阵元沿所述交线对称分布，每个圆阵的圆心距所述交线的距离为d；所述夹角γ根据利用理论来波方向下测向误差与夹角γ的关系确定。

【技术特征摘要】
1.一种基于定向双圆阵的立体阵列天线，其特征在于，包括两个完全相同的平面定向圆阵，每一平面定向圆阵均包含若干阵元；两个平面定向圆阵所在的平面呈一可调夹角γ，两个平面定向圆阵所在平面的交线不通过两个平面定向圆阵中的任一阵元的中心，且两个平面定向圆阵中的阵元沿所述交线对称分布，每个圆阵的圆心距所述交线的距离为d；所述夹角γ根据利用理论来波方向下测向误差与夹角γ的关系确定。2.根据权利要求1所述的基于定向双圆阵的立体阵列天线，其特征在于，所述两个平面定向圆阵为定向五元圆阵，均由五个完全相同的高增益窄波束阵元均匀分布构成，圆阵的半径r为圆阵中心到圆阵中任一阵元中心的距离。3.一种构建权利要求1或2所述立体阵列天线的方法，其特征在于，确定所述夹角γ，包括下述步骤：步骤S1，针对所述定向双圆阵的立体阵列建立坐标系；步骤S2，在上述坐标系下，建立用于对辐射源的来波方向进行估算的测向模型；步骤S3，根据上述测向模型，建立测向误差模型，得到理论来波方向下测向误差与夹角γ的关系；步骤S4，利用上述理论来波方向下测向误差与夹角γ的关系，确定具体定向测量时立体阵列天线的γ值。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中建立测向模型，具体包括以下步骤：步骤S201：建立相位测量值矩阵；步骤S202：计算上述相位测量值矩阵中测量初始相位的值；步骤S203：求取上述相位测量值矩阵中相位测量误差矩阵；步骤S204：基于最小二乘法构建测向模型。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S201中建立的相位测量值矩阵为：式中，α、β分别为辐射源方位角和俯仰角；f1(α,β)、f2(α,β)分别为两圆阵的理论值矩阵，且f1(α,β)、f2(α,β)均与阵列构型有关，f2(α,β)还与两圆阵之间的夹角γ有关；和分别为两圆阵的相位测量误差矩阵；δ1、δ2分别为两圆阵的测量初始相位，仅与测量时刻有关。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述f1(α,β)、f2(α,β)的具体数值由下式确定：f1(α,β)＝A·ηf2(α,β)＝A·V·η式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆安南，尤明懿，邱焱，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十六研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33