一种微带稀疏天线阵列增益快速计算方法技术

本发明专利技术公开了一种微带稀疏天线阵列增益快速计算方法。该方法在单个天线阵列单元增益基础上，通过划分稀疏天线阵列的子阵列，考虑子阵列天线内部电磁耦合，并通过天线阵列前向区域与后向区域分开计算的方式，获得微带稀疏天线阵列的增益特性。本发明专利技术考虑了天线阵列阵元之间耦合对天线阵列增益的影响，具有较高的仿真精度；在单个天线阵列单元增益基础上，通过数据处理来获得整个阵列的增益特性，节省大量仿真时间，极大降低计算机资源耗费，具有快速与灵活特点，特别适合设计过程中对稀疏天线阵列增益性能的快速评估。阵列增益性能的快速评估。阵列增益性能的快速评估。

【技术实现步骤摘要】
一种微带稀疏天线阵列增益快速计算方法


[0001]本专利技术涉及微波电磁场技术中的天线
，尤其涉及一种微带稀疏天线阵列增益的快速计算方法。

技术介绍

[0002]毫米波天线技术已经取得了长足的发展，已经广泛应用于导航、定位、自动驾驶、5G、目标检测等领域，深刻改变着人类社会的模式。当前，毫米波天线技术已经朝着更精密探测识别、更高频段的方向不断发展。然而高精度、高频段的发展需求已经给毫米波天线设计带来了巨大的挑战，体现为：高精度毫米波天线要求以天线组阵的方式工作，才能形成更窄的波束宽度，这对天线的安装口径与安装空间提出了更高的要求，传统阵列往往导致设备体积庞大，功耗巨大，毫米波微带稀疏阵列可以实现在有限的空间内设计出更大口径的天线阵列，同时降低阵列天线的馈电复杂度；高频毫米波天线的设计意味着更加庞大的仿真计算量，对计算机资源、仿真时间等都提出了更高的要求，特别是在设计过程中存在反复，对计算资源和周期是巨大的考验。
[0003]对于W波段微带稀疏天线阵列这种高频天线，其阵列单元多、频段高，带来的巨量仿真计算是限制其进一步发展的重要因素。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对W波段微带稀疏天线阵列仿真设计计算量大，带来设计周期长，计算资源耗费高的不足，提出将W波段微带稀疏天线阵列进行子阵列划分、前后向增益综合计算的方法，考虑天线阵列单元之间的耦合，大大降低计算量并保证仿真的精度，从而快速获得W波段微带稀疏天线阵列的全向增益特性。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供一种W波段微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，包含以下步骤：
[0006]步骤一：天线阵列单元前向远场场值数据电磁仿真：
[0007]通过电磁仿真获得微带稀疏天线阵列单元在特定激励下的X\Y\Z三个方向的前向远场场值数据、增益以及天线阵列单元辐射效率；
[0008]步骤二：子阵列划分和归类：
[0009]根据设计好的微带稀疏天线阵列的布局，依次将邻近的具有较强耦合效应(耦合强度大于1％)的天线阵列单元划分组成一个子阵列，并将结构相同的子阵列归为一种子阵列类型。
[0010]步骤三：子阵列内部天线阵列单元前向远场场值数据电磁仿真：
[0011]分别对步骤二中划分得到的不同子阵列类型的内部天线阵列单元进行激励，获得各子阵列类型内部天线阵列单元的前向远场场值数据。
[0012]步骤四：系统误差计算：根据步骤一中获得天线阵列单元的前向远场场值数据，通过电磁场换算功率，结合天线辐射效率，计算出该天线阵列单元的前向增益，并与步骤一电
磁仿真直接获得的增益比对，得到系统误差，用于后续计算过程的系统误差消除；
[0013]步骤五：微带稀疏阵列前向增益计算：按照微带稀疏天线阵列各个天线阵列单元的实际激励，以及各个天线阵列单元的空间坐标，在步骤三中获得的各子阵列类型的前向远场场值数据基础上，进行实际激励的幅度和相位的叠加，并采取电场矢量叠加的方式，获得最终微带稀疏天线阵列实际激励下的前向总的远场。采取电磁场与功率换算方式，结合天线阵列单元辐射效率以及步骤四中获得的系统误差修正，计算获得微带稀疏天线阵列的前向增益。
[0014]步骤六：微带稀疏阵列后向增益计算：增大天线阵列单元中介质的长度，扩大金属地面，通过电磁仿真获得天线阵列单元的后向远场场值数据。利用步骤五的方法，计算获得微带稀疏天线阵列的后向增益。
[0015]步骤七：微带稀疏天线阵列全向增益合成：将步骤五和步骤六得到的前、后向增益进行整合，最终获得微带稀疏天线阵列的全向增益。
[0016]进一步地，X\Y\Z三个方向的天线阵列单元远场场值数据获取方法具体为：采用1v电压0
°
相位的激励，电磁仿真获得该电压激励下X\Y\Z三个方向的远场场值数据，其中，前向远场场值数据仿真时俯仰角θ取值0
°
～90
°
，方位角取值0
°
～360
°
；后向远场场值数据仿真时俯仰角θ取值90
°
～180
°
，方位角取值0
°
～360
°
(在球坐标系下)。
[0017]进一步地，所述步骤二中的天线阵列进行子阵列的划分，依据是距离较近的天线阵列单元划分为一个子阵列，距离较远的天线阵列单元不划分在一起，优选为距离不超过1.2个波长的单元划分为同一子阵列内；若两个子阵列内部天线阵列单元间距相同、单元结构相同、单元数量相同，则这两个子阵列归为同一子阵列类型。进行划分的思路是将天线阵列单元划分为子阵列，然后将子阵列进行归类，电磁仿真主要针对这几类子阵列开展远场场值数据仿真，进一步压缩天线阵列增益仿真的计算量；同时，采用子阵列电磁仿真，将距离较近的天线阵列单元耦合效应考虑在内，避免了传统计算方法中忽视天线阵列单元之间耦合而带来计算精度不高的弊端。
[0018]同样地，所述步骤三中对子阵列前向增益电磁仿设置为：采用1v电压0
°
相位，获得该电压激励下X\Y\Z三个方向的远场场值数据(rE)，包括远场的幅度和相位信息，计算增益的方向为天线阵面前向，即在球坐标系下俯仰角θ取0
°
～90
°
，方位角取0
°
～360
°
。
[0019]所述步骤四中对微带稀疏天线阵列增益快速计算方法的系统误差进行计算，该系统误差是从远场数据计算天线增益的过程中产生的；计算的方式是通过电磁仿真得到天线增益与本专利技术方法计算得到的天线增益进行对比得到，将用于后续计算结果的修正，进一步提高计算精度。具体为：
[0020]首先计算远场场值数据rE
T
：
[0021][0022]abs表示绝对值，分别表示X\Y\Z三个方向的前向远场场值数据；
[0023]其次计算辐射强度U：
[0024][0025]再计算平均辐射强度U
ave
，并计算得到天线阵列单元增益Gain_c：
[0026][0027]η为天线阵列单元辐射效率；
[0028]系统误差为：
[0029]Δ
Gain
＝Gain_c
‑
Gain_o
[0030]Gain_o表示仿真得到的天线阵列单元增益。
[0031]所述步骤五和步骤六中，微带稀疏天线阵列增益快速计算方法采用了前向增益和后向增益分别单独计算，并最终合成的方式；前向增益主要由介质上表面的众多阵列单元产生，后向增益主要由介质底面的金属地面产生；该方式明确了前、后向增益的主要贡献来源，采取分别计算，使得最终的天线阵列全向增益计算精度有了很大提升。
[0032]其中，微带稀疏天线阵列实际激励下的前向总的远场计算方法具体为：
[0033][0034][0035][0036]其中，k表示天线阵列单元在微带稀疏天线阵列中的序号，分别是X\Y\Z三个方向的前向总场值数据，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：天线阵列单元前向远场场值数据电磁仿真：通过电磁仿真获得微带稀疏天线阵列的天线阵列单元在激励下的X\Y\Z三个方向的前向远场场值数据、增益以及天线阵列单元辐射效率；步骤二：子阵列划分和归类：根据设计好的微带稀疏天线阵列的布局，依次将邻近的耦合强度大于1％的天线阵列单元划分组成一个子阵列，并将结构相同的子阵列归为一种子阵列类型。步骤三：子阵列内部天线阵列单元的前向远场场值数据电磁仿真：对步骤二中划分得到的不同子阵列类型的内部天线阵列单元分别进行激励，获得各子阵列类型内部天线阵列单元各自的前向远场场值数据。步骤四：系统误差计算：根据步骤一中获得天线阵列单元的前向远场场值数据，通过电磁场换算功率，结合天线辐射效率，计算出该天线阵列单元的前向增益，并与步骤一电磁仿真直接获得的增益比对，得到系统误差；步骤五：微带稀疏阵列前向增益计算：按照微带稀疏天线阵列各个天线阵列单元的实际激励，以及各个天线阵列单元的空间坐标，在步骤三中获得的各子阵列类型的内部天线阵列单元各自前向远场场值数据基础上，进行实际激励的幅度和相位的叠加，并采取电场矢量叠加的方式，获得最终微带稀疏天线阵列实际激励下的前向总的远场；采取电磁场与功率换算方式，结合天线阵列单元辐射效率以及步骤四中获得的系统误差修正，计算获得微带稀疏天线阵列的前向增益；步骤六：微带稀疏阵列后向增益计算：增大天线阵列单元中介质的长度，扩大金属地面，通过电磁仿真获得天线阵列单元的后向远场场值数据；利用步骤五的方法，计算获得微带稀疏天线阵列的后向增益；步骤七：微带稀疏天线阵列全向增益合成：将步骤五和步骤六得到的前、后向增益进行整合，最终获得微带稀疏天线阵列的全向增益。2.根据权利要求1所述的微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，其特征在于，X\Y\Z三个方向的远场场值数据获取方法具体为：采用1v电压0
°
相位的激励，电磁仿真获得该电压激励下XYZ三个方向的远场场值数据，其中，前向远场场值数据仿真时俯仰角θ取值0
°
～90
°
，方位角取值0
°
～360
°
；后向远场场值数据仿真时俯仰角θ取值90
°
～180
°
，方位角取值0
°
～360
°
。3.根据权利要求1所述的微带稀疏天线阵列增益快速计算方法，其特征在于，所述步骤二中，具体划分...

【专利技术属性】
技术研发人员：应小俊，邓庆文，胡友建，沈思逸，徐志伟，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：