李龍軍,王布宏

(空軍工程大學信息與導航學院,陜西西安 710077)

共享孔徑多功能寬帶陣列天線研究

李龍軍,王布宏

(空軍工程大學信息與導航學院,陜西西安 710077)

提出了一種基于子陣天線方向圖頻譜能量匹配的多子陣交錯共享孔徑寬帶陣列天線設計方法.利用直線陣列天線單元激勵與方向圖之間存在傅里葉變換的關系,推導出子陣天線工作頻率與單元激勵之間的解析關系,在匹配各子陣天線激勵值的基礎上,采用密度加權陣的原理確定子陣天線單元的位置,實現(xiàn)不同工作頻率下的子陣天線稀疏交錯優(yōu)化布陣.理論分析與實驗仿真證明,該方法能夠有效地抑制不同工作頻率下子陣天線方向圖的旁瓣峰值,使工作在不同頻率下稀疏交錯布陣的子陣天線方向圖旁瓣峰值近似一致,抑制了柵瓣的產生,有效地拓寬了陣列天線的工作頻帶,實現(xiàn)了寬帶陣列天線優(yōu)化設計.

能量匹配;寬帶陣列;密度加權陣;交錯稀疏;傅里葉變換

隨著電磁環(huán)境的日益復雜,對陣列信號處理應用范圍及陣列天線的技術指標要求進一步提高,需要陣列天線能夠處理不同頻帶的信號.設計寬帶陣列天線可以提高天線的抗干擾能力和目標識別能力,有利于多功能陣列天線的實現(xiàn)[1-4].多子陣交錯陣列天線的設計是實現(xiàn)寬帶陣列天線最直接有效的方法之一,它要求子陣天線在不同中心頻率工作時,各子陣天線的方向圖性能能夠保持近似一致.然而,工作頻率的變化必然導致陣列天線孔徑發(fā)生改變,這對陣列天線稀疏交錯優(yōu)化布陣帶來了很多新的挑戰(zhàn),其核心問題是在滿足陣列天線方向圖和工作頻帶要求的前提下,如何有效地實現(xiàn)陣列天線的稀疏交錯布陣.

為了解決這些問題,文獻[5]提出利用循環(huán)差集(Cyclic Difference Set,CDS)和互補差集技術對陣列天線進行稀疏交錯布陣,以此實現(xiàn)陣列天線的頻帶拓展.但由于該方法針對的是同一中心頻率工作下的陣列天線稀疏交錯優(yōu)化,得到的共享孔徑陣列天線只能實現(xiàn)寬帶的有限拓展,在應用上有很大的局限性.文獻[6]利用不同尺寸的天線單元和陣元間距設計出規(guī)則布陣的寬帶陣列天線,該方法能夠得到較大頻帶范圍的陣列天線,但對天線單元本身的寬帶性能要求比較高.文獻[7]利用線極化的圓口徑天線設計出寬帶天線,有效地拓展了天線單元的頻帶寬度,但沒能給出利用該天線設計寬帶陣列天線的優(yōu)化布陣方法.現(xiàn)有的寬帶陣列天線設計方法主要以寬帶天線單元的研究以及非均勻分布的稀疏寬帶陣列天線的研究為主,這些方法實現(xiàn)起來較為復雜,且只能對陣列天線頻帶進行有限拓展,實用性受到限制[8].近兩年,一些新的只能尋優(yōu)算法相應出現(xiàn)(如入侵雜草算法),使得陣列天線設計方法有了更多的選擇[9-10],但寬帶陣列天線設計依然存在多維搜索的難題,這些難題尚待解決.

鑒于現(xiàn)有方法存在的種種問題,筆者提出一種不同工作頻率下多子陣交錯的寬帶陣列天線設計方法.該方法利用天線單元激勵與方向圖之間存在的傅里葉變換關系[11-12],將陣列天線工作頻率的差異轉換為單元激勵的變化,采用等倍數(shù)選取陣元激勵的方法,利用密度加權的原理,確定不同工作頻率下子陣單元的位置,使各子陣天線方向圖的期望值相同和交錯稀疏子陣方向圖近似一致,通過子孔徑頻帶的疊加最終實現(xiàn)寬帶陣列天線的設計.相對于傳統(tǒng)的寬帶陣列天線的設計方法,該方法可以靈活地實現(xiàn)子陣工作頻率比,在充分利用天線孔徑的同時,通過少量的天線單元實現(xiàn)寬帶陣列天線的設計,有利于系統(tǒng)成本的降低和單元互耦效應的抑制.

1　密度加權陣的基本原理

密度加權陣是根據(jù)統(tǒng)計學的原理,稀疏掉部分有源單元的陣列天線.Skolnik研究了一種統(tǒng)計的稀疏優(yōu)化方法,當單元以等間隔均勻分布時,單元存在的概率與滿陣的錐削度成正比.以一個陣元數(shù)為N、陣元間距為1/2的波長、入射方位角為θ的均勻線陣為例,當陣元均為理想的全向性單元時,其方向圖可表示為

其中,k=2π/λ,λ為信號波長,θ0決定陣列方向圖主瓣的方向,An為滿陣的幅度加權.當陣列為稀疏陣列天線且陣列方向圖主瓣指向零度時,

其中,In為0,1序列,“0”代表陣列單元被稀疏掉,“1”表示陣元保留.陣元在柵格點上存在的概率為

其中,Amax為滿陣天線單元激勵的最大幅值,m為稀疏常量.

2　寬帶陣列天線設計的原理分析

對于等間隔均勻直線陣列,主瓣指向0°方向.當忽略陣元間互耦效應且陣元均為理想的全向性單元時,其方向圖可表示為

對式(4)進行一維離散傅里葉逆變換,通常表示為

其中,M為周期;w0=2π/M,為采樣間隔;t=0,1,…,M-1.由式(4)和式(5)可知,陣元的激勵An與陣因子之間存在傅里葉變換的關系[12].若陣列天線是由不同工作頻率下多個子陣(假設子陣數(shù)為4個)交錯分布于同一個天線孔徑上組成的,則子陣天線工作中心頻率存在以下關系:

由λf=c可知,4個子陣對應的信號波長存在以下關系:

若柵格是以λ0/2為單位等間隔劃分的,由于單元激勵與陣列天線方向圖之間存在傅里葉變換的關系,則4個子陣的方向圖可以寫為

由式(3)可知,陣元存在的概率與陣列天線方向圖之間是正比例的關系,因此陣列天線方向圖可定義為概率事件,其期望值為

其中,Pn為單元存在的概率.根據(jù)交錯陣列天線的優(yōu)化目標可知,需要各子陣天線方向圖近似一致.如何使4個子陣方向圖的期望值相同,則需要消除中心頻率不同對陣列天線方向圖的影響.即當

時,各子陣單元存在的概率有以下關系:

因為陣元之間的間距是以波長為單位計量的(單元之間的間距為半波長的整數(shù)倍),從而在波數(shù)與單元間距相乘的過程中波長被抵消,故無須考慮頻率變化對波數(shù)的影響.由式(9)和式(11)可知:

綜上可知,當各子陣天線單元激勵之間的比例關系與其工作頻率之間的倍數(shù)關系一致時,各子陣天線方向圖作為概率事件的期望值(均值)近似一致(即歸一化方向圖函數(shù)值近似一致).根據(jù)該理論可知,由子陣天線中心工作頻率選取其單元所在的位置,就能最終實現(xiàn)工作在不同中心頻率下的子陣天線方向圖保持近似一致.

3　寬帶陣列天線設計方法的基本流程

由于陣列天線單元激勵與方向圖之間存在傅里葉變換的關系,因此可以利用快速傅里葉變換的方法進行單元激勵與方向圖之間的轉換,這樣能極大地減小計算量,節(jié)省運算時間.筆者利用迭代快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)算法,通過改變迭代快速傅里葉變換算法的陣元位置選取方式,實現(xiàn)工作在不同中心頻率下的多子陣交錯優(yōu)化布陣設計.對陣元數(shù)為N的直線陣列陣元激勵進行K點的快速傅里葉逆變換,得到FA值.令FA旁瓣區(qū)域中大于約束旁瓣值的點上的值等于約束旁瓣,這樣做的目的是為了使子陣天線方向圖旁瓣峰值維持在一個較低的水平上.校正完成后,對新的FA進行K點的快速傅里葉變換,獲得K個激勵振幅Am.截取Am中的前N個值作為滿陣激勵,并對其進行由大到小排序,形成新的序列Af.確定各子陣天線工作頻率的關系,若存在f0=a1f1=a2f2=a3f3,則在選取子陣天線單元激勵時需要按照同等比例進行選取(即在選取時需要保證An1≈a1An2≈a2An3≈a3An4).將單元位置確定后的子陣天線單元激勵值置為1.以子陣1方向圖的旁瓣值作為目標函數(shù)進行下一次的迭代,以此來降低子陣的旁瓣峰值.通過該方式確定子陣天線單元位置能夠使得各子陣天線方向圖近似一致,且旁瓣值維持在一個較低的水平.算法的具體步驟如下:

(1)根據(jù)需要交錯布陣的子陣個數(shù)S,以稀疏率1/S隨機稀疏陣元數(shù)為N的直線陣列作為子陣1,設置稀疏后的子陣1的天線單元激勵值Im為1.

(2)對Im進行K點的逆快速傅里葉變換,得到子陣1天線功率方向圖函數(shù)的值FA.

(3)設置合適的約束旁瓣,對FA旁瓣區(qū)域的值進行判定,令幅值大于約束旁瓣值的點上的值為約束旁瓣值,其他點上的值保持不變.

(4)對校正后的FA進行K點的快速傅里葉變換,得到新的滿陣天線的激勵幅值Am.

(5)截取Am中的前N個值,對其進行由大到小排列,生成向量Af.根據(jù)已知的各子陣工作頻率之間的關系,以同等比例關系選取各子陣天線單元的激勵,以獲得的激勵柵格所在的位置作為相應子陣天線單元的位置,并將天線結構確定的子陣天線單元上的激勵值置為1.

(6)判斷新生成的子陣1陣列結構與迭代前相比是否變化.如果是,則重復步驟(4)～(6);否則,迭代終止,輸出優(yōu)化后的結果,實現(xiàn)子陣天線頻帶的疊加,完成共享孔徑交錯稀疏多功能寬帶陣列天線的設計.

4　實驗仿真與分析

為了驗證上述方法的正確性,利用筆者提出的方法對陣元數(shù)為100的線陣進行4個子陣稀疏交錯優(yōu)化布陣,并對其方向圖性能及方向圖帶寬進行分析.仿真參數(shù)為:陣元均為理想的全向性單元,單元數(shù)為100,稀疏率為25%.快速傅里葉變換運算點數(shù)的選取影響著天線方向圖曲線光滑程度以及最終的求解精度和時間,通過大量的實驗可知,一般取210可以在曲線光滑程度以及運算時間和精度上折中.筆者取快速傅里葉變換和逆快速傅里葉變換運算點數(shù)為1 024,取約束旁瓣峰值為-20 d B,4個子陣的工作頻率分別為4f0,3f0, 2f0,f0.

4.1不同工作頻率下陣列天線的交錯稀疏優(yōu)化布陣

所有仿真均是在MATLAB R2012b中完成的.由假設條件可知,子陣天線工作頻率關系確定.利用筆者提出的方法,首先對以稀疏率為25%隨機稀疏的100元線陣進行1 024點快速傅里葉變換,根據(jù)上節(jié)所提的流程選取子陣單元的激勵值,以此確定各子陣天線單元的位置,仿真得到的4個子陣交錯的直線陣列天線結構如圖1所示.圖1中,“0”代表該位置處的陣元被稀疏掉,“1”代表該柵格點處存在陣元.從圖1可知,4個子陣交錯分布于同一個天線孔徑上,各子陣占有的物理空間近似相同.

圖1　四子陣交錯稀疏寬帶陣列天線結構

天線的孔徑占有率為

其中,Lsubarrayi為子陣i的孔徑電尺寸長度,Larray為整個陣列的孔徑電尺寸長度.根據(jù)式(13)可知,子陣1的孔徑占有率為89%,子陣2的孔徑利用率為93%,子陣3和子陣4的孔徑占有率分別為96%和99%.由此可知,4個交錯子陣充分利用了天線孔徑,在保證資源利用的同時提高了天線的分辨力.交錯稀疏的子陣天線方向圖如圖2所示.從圖2中可知,交錯分布的4個子陣天線方向圖近似一致,子陣1的旁瓣峰值為-7.29 dB,子陣2的旁瓣峰值為-8.17 dB,子陣3的旁瓣峰值為-7.96 dB,子陣4的旁瓣峰值為-8.96 dB,子陣間旁瓣峰值最小差值為0.21 d B.但由于子陣天線的工作頻率不一樣,因此各子陣天線的相對孔徑不一樣,其中子陣1的工作頻率為4 GHz,其天線孔徑電尺寸最大,因此其主瓣寬度最窄,分辨力最好.從圖2(b)中可知,子陣1的方向圖零點主瓣寬度為2.4°,子陣2的方向圖零點主瓣寬度為2.8°,子陣3的方向圖零點主瓣寬度為5.6°,子陣4的方向圖零點主瓣寬度為8°,其詳細參數(shù)對比如表1所示.由以上結果可知,筆者提出的方法能夠對工作在不同工作頻率下的子陣天線進行有效的稀疏交錯優(yōu)化布陣.

圖2　不同工作頻率下稀疏交錯線陣的方向圖

表1　稀疏交錯寬帶陣列天線性能對比

旁瓣約束值的選取直接影響了陣列采樣點激勵在前段的集中程度,其目的主要是為了降低子陣天線旁瓣峰值.當陣列天線為均勻滿陣且單元激勵不置1時,天線的旁瓣峰值能夠滿足約束要求,但由于稀疏子陣只選取了陣列天線的部分激勵點且子陣天線單元激勵值強制置為1,因此稀疏后的子陣天線方向圖(部分激勵點進行傅里葉變換獲得的值)旁瓣峰值是無法滿足約束要求的.選取一個合理的旁瓣約束值能夠使目標方向圖對應的激勵點值集中分布在激勵的前段部分,使得選取激勵前段部分點值進行傅里葉逆變換得到的方向圖旁瓣峰值能更好地接近約束旁瓣值,達到降低子陣天線方向圖旁瓣值與約束旁瓣值之間差值的目的.因此,旁瓣約束值并不是越大越好或者越小越好.前期通過大量的仿真實驗結果得出,在選取約束旁瓣峰值時,一般選小于同等陣元數(shù)均勻陣列旁瓣峰值10～15 d B的值優(yōu)化效果最好.

4.2不同工作頻率下稀疏交錯陣列天線方向圖帶寬分析

為了進一步驗證筆者所提方法的準確性和有效性,需對已經設計出來的交錯稀疏陣列天線的方向圖頻帶特性進行分析.假設各子陣工作在同一個工作頻率下,中心頻率為1 GHz.仿真選取的頻帶范圍為0.5～2.5 GHz,柵格間距為半個波長,交錯子陣天線方向圖主瓣寬度隨工作頻率的變化關系曲線如圖3(a)所示,4個子陣的旁瓣峰值隨工作頻率變化的關系如圖3(b)所示.

圖3　4個子陣交錯線陣方向圖寬帶性能

從圖3(a)中可知,隨著工作頻率的增大,子陣天線方向圖主瓣寬度減小.這是因為天線方向圖與陣列孔徑電尺寸有關.陣列的工作頻率越大,波長越小,陣列天線的孔徑電尺寸就越大,使得子陣天線方向圖主瓣寬度越窄,分辨力越強.由圖3(b)可知,4個子陣具有相同的帶寬性能.當工作頻率增大時,子陣天線方向圖旁瓣峰值增大.以中心頻率f0為1 GHz為例,當工作頻率增大到2 GHz時,子陣天線方向圖出現(xiàn)柵瓣;當陣列的工作頻率小于1.9 GHz時,陣列天線方向圖的峰值旁瓣維持在一個相對穩(wěn)定的數(shù)值.因此可以認為,當4個子陣天線的工作頻率是在同一個中心頻率上,如1 GHz時,交錯稀疏分布的4個子陣天線方向圖的寬帶為1.9 GHz.雖然對于均勻分布的線陣來說,稀疏陣列天線的帶寬會有所增加,但增加的幅度有限,對設計寬帶或者超寬帶陣列天線應用的局限性很大.當基于不同中心頻率設計多子陣稀疏交錯陣列天線時,通過各子陣天線頻帶的疊加能有效拓展陣列天線的頻帶寬度.就文中所提例子而言,4個子陣工作在4個不同的頻率下且能夠保證4個子陣天線方向圖性能近似一致,通過各子陣中心頻率的疊加,陣列天線的頻帶寬度就從原先的1.9 GHz拓展成為4 GHz,而常用的通信信號如全球微波互聯(lián)接入(Worldwide interoperability for Microwave Access,WiMAX)網(wǎng)絡和C波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)分別為3.4～3.6 GHz和3.7～4.2 GHz,這就說明利用筆者提出的方法設計的4個子陣稀疏交錯寬帶陣列天線能夠接收或者發(fā)射不同功能的信號,具備多功能天線性能.

5　結束語

筆者依據(jù)傅里葉變換的尺度壓縮性質和密度加權陣的原理,在分析陣列天線工作頻率與天線單元激勵之間關系的基礎上,首先將陣列天線工作頻率的變化轉換成為陣列天線單元激勵變化,再利用快速傅里葉變換實現(xiàn)陣列天線方向圖與單元激勵之間的轉換,通過約束天線方向圖旁瓣峰值使交錯稀疏分布的子陣天線方向圖旁瓣峰值處于一個較低的水平,然后根據(jù)子陣設定的中心頻率來選取子陣天線單元上的激勵,根據(jù)密度加權陣中陣元激勵與陣元位置之間的關系最終實現(xiàn)多子陣交錯的寬帶多功能陣列天線的設計.實驗仿真表明,利用該方法能實現(xiàn)不同工作頻率下子陣天線單元的有效稀疏交錯布陣,得到的子陣天線方向圖性能近似一致且能充分利用天線平臺空間,不會造成資源的浪費.相對于傳統(tǒng)的多子陣工作于同一個工作頻率下進而實現(xiàn)寬帶陣列天線設計的方法,該方法能更有效地拓展陣列天線的頻帶,實現(xiàn)寬帶甚至是超寬帶陣列天線的設計.

在實際應用中,可以通過調整各頻段子陣的移相器的角度,使工作在不同頻率下的子陣天線進行不同角度的空間掃描.若同時采用自適應波束形成技術,則還可以靈活控制波束指向,同時在干擾方向形成零點,從而進一步提高天線的抗干擾能力.

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(編輯:郭 華)

Research on the shared aperture multifunction wideband array antenna

LI Longjun,WANG Buhong
(School of Information and Navigation,Air Force Engineering Univ.,Xi’an 710077,China)

The paper presents a new technology for designing the shared aperture wideband array with multiple interleaved sub-arrays based on the energy match of sub-array excitation distribution.In view of the Fourier transform relationship between the array pattern and elements excitation,the mathematical relationship between the array working frequency and elements excitation is achieved.The interleaved thinned sub-arrays with different working frequencies are designed with the positions of the elements achieved by way of the energy match of sub-array excitation distribution and the theory of density weighted array.Theoretical analysis and experimental simulation show that the peak side-lobe levels of the interleaved sub-arrays under different working frequencies which are designed by the proposed method are restrained with the grating lobe suppressed.The multifunction wideband array is achieved as the working bandwidth of array antennas is broadened effectively.

energy match;wideband array;density weighted array;interleaved thinned array; Fourier transform

TN820

A

1001-2400(2016)04-0147-07

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.04.026

2015-06-03 網(wǎng)絡出版時間：2015-10-21

國家自然科學基金資助項目(61172148)

李龍軍(1988-),男,空軍工程大學博士研究生,E-mail:lilongjunboy@126.com.

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20151021.1046.052.html