一种基于聚焦基函数的相控阵近场波束控制方法

摘要

本发明提供了一种基于聚焦基函数的相控阵近场波束控制方法，（1）将预期的测试区域进行网格化，划分为多个聚焦点；（2）以聚焦点获得聚焦基函数，得到新的阵元幅相分布；（3）将得到的幅相分布带入相控阵，计算测试区场强；（4）比较测试区域各聚焦点场强和期望场强，再次得到新的幅相分布；（5）重复步骤（3）~（4），直至测试区域场强均匀性满足要求，此时的阵元幅相记为最优分布；此方法可对给定规模的相控阵进行综合，得到其馈电幅相项分布，从而在相控阵近场区产生高强度（大于1000

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种相控阵天线的近场波束控制方法。

背景技术

随着军队信息化建设的快速推进和现代战场电子对抗的日趋激烈，战场外 部射频电磁环境呈现出了剧烈化、复杂化的趋势，电磁环境对武器装备产生的效 应日益显著，电磁不兼容问题不断显现，成为制约战斗力发挥甚至决定战争成败 的关键因素之一；必须深入研究外部射频电磁环境敏感性测试技术，为武器装备 电磁环境效应评估提供试验能力。

随着GJB1389A《系统电磁兼容性要求》和GJB 8848-2016《系统电磁环境 效应试验方法》的陆续发布，外部射频电磁环境敏感性测试的对象逐渐推广至飞 机、导弹等大型系统级测试对象；军用电磁兼容测试领域对发射源产生的考核电 磁场要求越来越高，需要发射源在近场区产生高至数千伏米(大于1000V/m)， 波束宽度宽至1m以上，且场均匀性较好(小于1dB)的波束。

相控阵天线以其高增益、易于波束赋形、快速扫描能力，广泛应用于雷达、 天文、通信领域，是实现该考核场最有希望的技术形式，但目前有关相控阵的报 道多集中在远场波束形成，且波束宽度较窄，测试区的场均匀性较差(大于3dB)， 不能满足军用电磁兼容性测试要求。

发明内容

本发明提供了一种基于聚焦基函数的相控阵近场波束控制方法，包括如下 步骤：

(1)将预期的测试区域进行网格化，划分为多个聚焦点；

(2)以聚焦点的空间位置作为聚焦目标，确定相控阵各阵元的幅相分布，作为 该聚焦点的聚焦基函数；

(3)依次遍历所有聚焦点，获得一组聚焦基函数，将各聚焦基函数的初始权重 设置为1并求和，得到新的阵元幅相分布；

(4)将得到的幅相分布带入相控阵，计算测试区场强；

(5)比较测试区域各聚焦点场强和期望场强，对于高于期望场强的聚焦点，减 小其基函数权重，低于期望场强的聚焦点，增加其基函数权重；

(6)以新的权重对基函数进行求和，得到新的幅相分布；

(7)重复步骤(4)～(6)，直至测试区域场强均匀性满足要求，此时的阵元幅 相记为最优分布。

优选地，其中步骤(1)包括：相控阵为M×N的矩形方阵，沿xoy面分 布，各阵元坐标为(x

式中：

D—网格间距，

R—测试区域和相控阵阵面的距离，

λ—波长，

d—相控阵阵元间距，

对公式(1)得到的D向上取整得到D

式中：I＝a/D

优选地，步骤(2)包括：对聚焦点P

幅相分布计算公式如下

式中：

k—空间波数，k＝2π/λ，∠—求取复数角度， 依次将各阵元坐标(x

优选地，步骤(3)包括：依次将各聚焦点P

优选地，步骤(4)包括：将新阵元幅相分布A

式中：

η—空间波阻抗，η＝120π，

G(θ)—阵元天线方向图，是夹角θ的函数，

P

进一步地，步骤(5)包括：将步骤(4)中计算出的场强E

进一步地，步骤(6)包括：将更新后的基函数权重B

进一步地，步骤(7)包括：将A

Ep＝20(lg(E

式中：

E

E

技术效果

本技术方案提出了一种基于聚焦基函数的相控阵近场波束控制方法，可对 给定规模的相控阵进行综合，得到其馈电幅相项分布，从而在相控阵近场区产生 高强度(大于1000V/m)、宽范围(1m以上)、场均匀性较好(小于1dB)的近 场聚焦波束，满足电磁兼容领域的测试要求。

附图说明

图1相控阵和测试区域示意图

图2实施例1相控阵幅度分布

图3实施例1相控阵相位分布

图4实施例1测试区域场分布

图5实施例1相控阵幅度分布

图6实施例1相控阵相位分布

图7实施例1测试区域场分布(正视图)

图8实施例1测试区域场分布(侧视图)

图9实施例1测试区域场分布(正视图)

图10实施例1测试区域场分布(侧视图)

图11实施例1测试区域场分布(正视图)

图12实施例1测试区域场分布(侧视图)

图13实施例1相控阵幅度分布

图14实施例1相控阵相位分布

图15实施例2测试区域场分布(正视图)

图16实施例2测试区域场分布(侧视图)

图17实施例2相控阵幅度分布

图18实施例2相控阵相位分布

图19实施例3测试区域场分布(正视图)

图20实施例3测试区域场分布(侧视图)

图21实施例3相控阵幅度分布

图22实施例3相控阵相位分布

具体实施方式一

取频率f

G(θ)＝2.745cos

相控阵和测试区域如图1所示；测试区距离：2m，测试区域大小：1.5m×1.5m， 测试区域场强要求：4000V/m～4200V/m；即求相控阵幅相分布，在R＝2m处 产生一个4000V/m～4200V/m，焦斑范围1.5m×1.5m的均匀场。

对测试区域进行网格化，波束半宽为

向上取整得到网格间距D＝0.02，测试区域a＝b＝1.5，则测试区域网格化的规 模为I＝J＝76，聚焦点坐标为

聚焦点为一个76×76的矩形阵列，阵列间距0.02m，

当i＝j＝1,P

I

1)计算相控阵左上角阵元(m＝1,n＝1)的幅度分布值

I

2)阵中某阵元(m＝10,n＝10)的幅度分布值

I

3)右下角阵元(m＝50,n＝50)的幅度分布值

I

将波数k＝2π/0.05＝125.75和P

依次带入各相控阵阵元坐标(x

1)计算相控阵左上角阵元(m＝1,n＝1，则x

Δx＝-1.225-(-0.75)＝-0.475

Δy＝-1.225-(-0.75)＝-0.475

Δz＝2

a

2)计算相控阵阵中某阵元(m＝10,n＝10，则x

Δx＝-0.775-(-0.75)＝-0.025

Δy＝-0.775-(-0.75)＝-0.025

Δz＝2

a

3)计算右下角阵元(m＝50,n＝50，则x

Δx＝1.225-(-0.75)＝1.975

Δy＝1.225-(-0.75)＝1.975

Δz＝2

a

将该幅相分布带入公式

计算得到测试区域电场分布如图4所示，可见相控阵确实聚焦于 P

测试区域每个点的电场值都是相控阵所有阵元贡献得到的，以点 P

1)计算相控阵左上角阵元(m＝1,n＝1，则x＝-1.225,y＝-1.225,z＝0)在P

η＝120π＝376.99

Δx＝-1.225-(-0.75)＝-0.475m

Δy＝-1.225-(-0.75)＝-0.475m

Δz＝2

G(θ)＝2.745cos

P

2)计算相控阵阵中某阵元(m＝10,n＝10，则x

η＝120π＝376.99

Δx＝-0.775-(-0.75)＝-0.025m

Δy＝-0.775-(-0.75)＝-0.025m

Δz＝2

G(θ)＝2.745cos

P

3)计算右下角阵元(m＝50,n＝50，则x

η＝120π＝376.99

Δx＝1.225-(-0.75)＝1.975m

Δy＝1.225-(-0.75)＝1.975m

Δz＝2

G(θ)＝2.745cos

P

4)依次计算其余所有阵元在在P

5)将所有阵元在P

需依次计算各个聚焦点对应的幅相分布作为基函数，并将其求和得到新的幅相分布，求和时各基函数初始权重系数矩阵B各元素均为1，则新的幅相分布A

得到的场强分布如图7和图8所示，可见经过处理后的场焦斑已可以覆盖 1.5m×1.5m的测试区域，测试区域内场强最高值为4348V/m，最低值为 2920V/m，将其带入公式计算场均匀性：

Ep＝20(lg(4348)-lg(2920))＝3.04dB

可见场均匀性比较差。

将图7的场强与期望场强(3600V/m～4300V/m)进行比较，对权 重矩阵B进行调节，采用逐次逼近法，则：

1.对于场强分布图中低于3600V/m的点，将对应的聚焦点基函数权重 值加0.1；

2.对于场强分布图中高于4300V/m的点，将对应的聚焦点基函数权重 值减0.1。

将单次调整的权重矩阵B带入公式计算出新的幅相分布A

Ep＝20(lg(4276)-lg(3217))＝2.52dB

将该场强分布再次与期望场强进行比较，循环10次后，最高场强4240V/m， 最低场强3602V/m，测试区域内场强均已落入3600V/m～4300V/m的 范围，此时场强分布如图9和图10所示。

随后将测试区域期望场强设定为4000V/m～4200V/m，循环调整5 次，场强落入4000V/m～4200V/m的范围，场强最高值4198V/m，最低 值4003V/m，带入公式计算场均匀性：

Ep＝20(lg(4198)-lg(4003))＝0.43dB

此时场强分布正视图和侧视图如图11和12所示，相控阵的幅度和相位分布如图13和图14所示。

可见，通过上述算法得到的幅相分布，成功地让相控阵在2m处产生了 1.5m×1.5m大小的均匀场。

具体实施方式二

使用实施例一的相控阵，可以产生小于1.5m×1.5m的任意大小焦斑，以 0.5m×0.5m大小为例，指标要求为：

1)频率f

2)相控阵规模(M×N)：50×50；

3)天线阵元间距：50mm；

4)测试区距离：2m；

5)测试区域大小：0.5m×0.5m；

6)测试区域场强要求：4000V/m～4200V/m；

即求相控阵幅相分布，在z＝2m处产生一个4000V/m～4200V/m，焦斑范围 0.5m×0.5m的均匀场。

步骤与实施例一相似，产生的均匀场场强分布正视图和侧视图如图15和 16所示，场强落入4000V/m～4200V/m的范围，场强最高值4195V/m， 最低值4002V/m，带入公式计算场均匀性：

Ep＝20(lg(4195)-lg(4002))＝0.41dB

场均匀度0.41dB，相控阵的幅度和相位分布如图17和图18所示。

具体实施方式三

使用实施例一的相控阵可以产生同样场均匀性，同样焦斑大小，指定场强 值的场，以平均场强6000V/m～6300V/m为例，指标要求为：

1)频率f

2)相控阵规模(M×N)：50×50；

3)天线阵元间距：50mm；

4)测试区距离：2m；

5)测试区域大小：1.5m×1.5m；

6)测试区域场强要求：6000V/m～6300V/m；

即求相控阵幅相分布，在z＝2m处产生一个6000V/m～6300V/m，焦斑范围 1.5m×1.5m的均匀场。

步骤与实施例一相似，产生的均匀场场强分布正视图和侧视图如图19和 20所示，场强落入的范围6000V/m～6300V/m，场强最高值6297V/m，最低 值6005V/m，带入公式计算场均匀性：

Ep＝20lg(6297/(1μV/m)-6005/(1μV/m))＝0.41dB

场均匀度0.41dB，相控阵的幅度和相位分布如图21和图22所示。