低剖面三维分布式共形大范围扫描阵列天线

摘要

本发明提供一种低剖面三维分布式共形大范围扫描阵列天线，该阵列天线拓扑中天线单元位置按环状均匀分布由一基准线绕特定轴旋转形成的旋转曲面载体上；所述基准线由一条光滑凸曲线与另一条光滑凹曲线连接形成，凹曲线右端点所在竖直方向为旋转轴；所述天线拓扑中环的个数按旋转基准线上均匀取点确定，旋转后曲面载体上的天线单元按等弧间距排布；所述旋转曲面上单元指向为天线单元所在位置对应切平面的法线方向。本发明基于三维分布式虚拟口径合成原理，结合特殊设计的共形曲面载体实现低剖面下半球空域波束扫描范围，克服低剖面前提下阵列天线扫描范围受限的难题。

权利要求

1.一种低剖面三维分布式共形大范围扫描阵列天线，其特征在于：该天线拓扑中存在多个分布在旋转曲面载体(3)上的天线单元(4)，旋转曲面载体(3)由一基准线绕旋转轴旋转360度形成；所述基准线由一条光滑凸曲线(1)与另一条光滑凹曲线(2)连接形成，光滑凹曲线(2)右端点所在竖直方向为旋转轴；多个天线单元的起始点在光滑凸曲线(1)上等直线间距排布，多个天线单元的起始点在光滑凹曲线(2)上等直线间距排布，所述直线间距都为d1，每个天线单元的起始点绕旋转轴旋转360度后形成一个对应的环(5)，每一层环(5)上的天线单元(4)等弧间距均匀排布，所述弧间距为d2，所述旋转曲面上单元指向为天线单元所在位置对应切平面的法线方向；

所述基准线位于xoz平面上，光滑凸曲线(1)的起始点位于坐标原点，光滑凹曲线(2)右端点所在位置为a1，光滑凸曲线(1)和光滑凹曲线(2)的连接点所在位置为a0，光滑凸曲线(1)、光滑凹曲线(2)对应在xoz平面上的曲线函数方程分别为z＝f1(x)，z＝f2(x)，并满足方程组：

所述旋转曲面载体(3)按上述基准线绕旋转轴x＝a1旋转360°形成。

2.根据权利要求1所述的低剖面三维分布式共形大范围扫描阵列天线，其特征在于：所述天线单元的起始点在基准线上按直线间距d1均匀取点得到，每层环的天线单元的起始点在基准线上的对应位置为xn，且光滑凸曲线(1)上第一个天线单元的起始点位于坐标原点即x1＝0，设基准线对应xoz平面上的曲线函数方程为z＝g(x)，则每层环的天线单元起始点位置满足方程：

2 2 2

[g(xn+1)‑g(xn)]+(xn+1‑xn) ＝d1所述天线拓扑中天线单元(4)按等弧间距d2均匀分布在旋转曲面上每一层环(5)上，第n层环离旋转轴间距为a1‑xn；第n层环上均匀放置的天线单元数为m＝[2π(a1‑xn)/d2]，最后结果取m的整数部分。

说明书

低剖面三维分布式共形大范围扫描阵列天线

技术领域

[0001] 本发明属于共形天线阵领域，具体涉及低剖面三维分布式共形大范围扫描阵列天线。

背景技术

[0002] 随着扫描天线阵在卫星通信、雷达等众多军事及民用领域的广泛应用，对其扫描范围、物理尺寸及性能提出了越来越高的要求，希望在尽可能低剖面下实现半球空域以上
的超大扫描范围。现有扫描天线阵主要可分为两类：平面扫描天线阵及共形扫描天线阵。平
面扫描天线阵由于由于其剖面薄、体积小、重量轻、易集成等优异特点得到了广泛应用。但
是平面扫描天线阵其扫描范围一般局限在±60°附近，且扫描过程中随扫描角度增加增益
下降剧烈，无法实现更大范围扫描。与平面扫描天线阵不同，共形扫描天线阵中天线单元不
再分布在同一平面上，而是共形于三维载体表面上，使其波束扫描范围可以轻易实现半球
区域以上覆盖，并且在扫描过程中天线增益波动较小。但是共形扫描天线阵通常体积冗余，
整体剖面较高，导致其装配稳定性较差及空间尺寸需求高。在尽可能低剖面情况下实现更
大角度扫描范围是一大挑战。

[0003] 现有技术用来实现半球空域超大范围扫描的方案是采用共形天线阵如球形共形天线阵(详见[1]‑[2]：[1].B.P.Kumar,C.Kumar,V.S.Kumar and V.V.Srinivasan,"Active 
spherical phased array design for satellite payload data transmis‑sion,"IEEE 
Trans.Antennas Propag.,vol.63,no.11,pp.4783‑4791,Nov.2015.[2].Y.F.Wu and 
Y.J.Cheng,"S‑band dual circular polarized spherical conformal phased array 
antenna,"2016IEEE International Workshop on Electromagnetics:Applications and 
Student Innova‑tion Competition(iWEM),Nanjing,2016,pp.1‑3.)来实现半球空域的波
束扫描，但是由于其为球面共形的特性，天线面临整体剖面过高的显著缺点，导致其体积冗
余，在应用中面临对载体空间要求高、装配困难等难题。

[0004] 三维分布式共形大范围扫描阵列天线的提出，为攻克低剖面下实现半球空域以上波束扫描范围难题提供了新的思路。一般而言传统球面共形天线阵依附于球形载体设计，
若充分利用载体形状降低整体剖面，结合三维分布式口径合成机理即可保证低剖面前提
下，实现半球空域波束扫描。因此，基于三维分布式共形扫描阵列天线，来实现低剖面下半
球空域扫描具有很高的研究意义。

发明内容

[0005] 本发明目的在于为了克服上述扫描天线阵设计中、球面共形扫描天线阵整体体积冗余剖面过高的难题，基于三维分布式共形大范围扫描阵列天线，提出了一种低剖面下实
现半球空域扫描的共形天线拓扑，通过合理设计共形载体的形状，充分利用天线的分布式
口径合成机理弥补天线整体剖面降低后的性能损失，从而解决低剖面前提下实现半球空域
大范围扫描的难题。

[0006] 为实现上述发明目的，本发明具体技术方案如下：

[0007] 一种低剖面三维分布式共形大范围扫描阵列天线，该天线拓扑中存在多个分布在旋转曲面载体3上的天线单元4，旋转曲面载体3由一基准线绕旋转轴旋转360度形成；所述
基准线由一条光滑凸曲线1与另一条光滑凹曲线2连接形成，光滑凹曲线2右端点所在竖直
方向为旋转轴；多个天线单元的起始点在光滑凸曲线1上等直线间距排布，多个天线单元的
起始点在光滑凸曲线2上等直线间距排布，所述直线间距都为d1，每个天线单元的起始点绕
旋转轴旋转360度后形成一个对应的环5，每一层环5上的天线单元4等弧间距均匀排布，所
述弧间距为d2，所述旋转曲面上单元指向为天线单元所在位置对应切平面的法线方向。

[0008] 作为优选方式，所述基准线位于xoz平面上，光滑凸曲线1的起始点位于坐标原点，凹曲线2右端点所在位置为a1，光滑凸曲线1和光滑凹曲线2的连接点所在位置为a0，光滑凸
曲线1、光滑凹曲线2对应在xoz平面上的曲线函数方程分别为z＝f1(x)，z＝f2(x)，并满足方
程组：

[0009]

[0010] 所述旋转曲面载体3按上述基准线绕旋转轴x＝a1旋转360°形成。

[0011] 作为优选方式，所述天线单元的起始点在基准线上按直线间距d1均匀取点得到，每层环的天线单元的起始点在基准线上的对应位置为xn，且光滑凸曲线1上第一个天线单
元的起始点位于坐标原点即x1＝0，设基准线对应xoz平面上的曲线函数方程为z＝g(x)，则
每层环的天线单元起始点位置满足方程：

[0012] [g(xn+1)‑g(xn)]2+(xn+1‑xn)2＝d12

[0013] 所述天线拓扑中天线单元4按等弧间距d2均匀分布在旋转曲面上每一层环5上，第n层环离旋转轴间距为a1‑xn；第n层环上均匀放置的天线单元数为m＝[2π(a1‑xn)/d2]，最后
结果取m的整数部分。

[0014] 本发明的有益效果在于：

[0015] (1)本发明提供了一种三维低剖面分布式共形阵列天线拓扑。该天线拓扑突破传统共形天线设计思路，充分利用共形载体形状降低整体天线剖面高度，实现低剖面前提下
半球空域波束扫描范围，克服了剖面降低同时天线扫描范围受限难题。

[0016] (2)本发明提供了一种位于不同区域的天线单元分布式口径合成方法，该方法能弥补天线整体剖面下降后扫描性能。

附图说明

[0017] 图1为所述旋转基准线示意图。

[0018] 图2为所述由基准线旋转形成的旋转曲面示意图。

[0019] 图3为三维低剖面分布式共形大范围扫描阵列天线单元位置示意图。

[0020] 图4为三维分布式虚拟口径合成机理示意图。

[0021] 图5为具体实例设计拓扑示意图。

[0022] 图6为具体实例测试仿真对比方向图。

[0023] 图7为具体实例仿真不同扫描角度下归一化方向图。

[0024] 1为光滑凸曲线，2为光滑凹曲线，3为旋转曲面载体，4为天线单元，5为环。

具体实施方式

[0025] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实
施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离
本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0026] 本实施例中提供一个三维低剖面分布式共形大范围扫描阵列天线。

[0027] 一种低剖面三维分布式共形大范围扫描阵列天线，该天线拓扑中存在多个分布在旋转曲面载体3上的天线单元4，旋转曲面载体3由一基准线绕旋转轴旋转360度形成；所述
基准线由一条光滑凸曲线1与另一条光滑凹曲线2连接形成，光滑凹曲线2右端点所在竖直
方向为旋转轴；多个天线单元的起始点在光滑凸曲线1上等直线间距排布，多个天线单元的
起始点在光滑凸曲线2上等直线间距排布，所述直线间距都为d1，每个天线单元的起始点绕
旋转轴旋转360度后形成一个对应的环5，每一层环5上的天线单元4等弧间距均匀排布，所
述弧间距为d2，所述旋转曲面上单元指向为天线单元所在位置对应切平面的法线方向。

[0028] 所述基准线位于xoz平面上，光滑凸曲线1的起始点位于坐标原点，凹曲线2右端点所在位置为a1，光滑凸曲线1和光滑凹曲线2的连接点所在位置为a0，光滑凸曲线1、光滑凹曲
线2对应在xoz平面上的曲线函数方程分别为z＝f1(x)，z＝f2(x)，并满足方程组：

[0029]

[0030] 所述旋转曲面载体3按上述基准线绕旋转轴x＝a1旋转360°形成。

[0031] 所述天线单元的起始点在基准线上按直线间距d1均匀取点得到，每层环的天线单元的起始点在基准线上的对应位置为xn，且光滑凸曲线1上第一个天线单元的起始点位于
坐标原点即x1＝0，设基准线对应xoz平面上的曲线函数方程为z＝g(x)，则每层环的天线单
元起始点位置满足方程：

[0032] [g(xn+1)‑g(xn)]2+(xn+1‑xn)2＝d12

[0033] 所述天线拓扑中天线单元4按等弧间距d2均匀分布在旋转曲面上每一层环5上，第n层环离旋转轴间距为a1‑xn；第n层环上均匀放置的天线单元数为m＝[2π(a1‑xn)/d2]，最后
结果取m的整数部分。

[0034] 天线单元整体位置示意如图3所示。

[0035] 位于共形载体上不同区域处的单元协同实现分布式虚拟口径合成，进而弥补低剖面下扫描性能，如图4所示。设天线单元为圆极化全向辐射单元，其辐射电场 可由(3)给
出：

[0036]

[0037] 则在远区场点P(R,θ,φ)处的辐射电场 可由(4)给出：

[0038]

[0039] 其中：

[0040]

[0041]

[0042] ζnm＝±υnm±φnm atθ＝θ0,φ＝φ0   (7)

[0043]

[0044]

[0045]

[0046] E0为常数， 为对应单元坐标θ, 方向的单位向量；δnm表示天线单元的工作状态，δnm＝1表示单元工作，反之单元不工作； 为全局坐标系下坐标θ, 方向的单位向
量； 为原点指向第n个环上第m个天线单元的向量，为r方向上的单位向量；k＝2π/λ是传
播常数； 为第n个环上第m个天线单元的法向向量；ω为角频率；α′n为位于第n个环上第m
个天线单元的指向与z轴正向夹角，β′nm位于第n个环上第m个天线单元的指向与x轴正向夹
角；

[0047] 为了简化设计难度，本实施例中选择光滑凸曲线1、光滑凹曲线2对应的曲线函数方程分别如(11)、(12)所示：

[0048] f1(x)＝(x2+400x)1/2   (11)

[0049] f2(x)＝242‑(x2+400x)1/2   (12)

[0050] 旋转曲面载体3上总共包含5个环，每个环上对应的单元个数分别为16、14、11、6、1，其整体结构如图5所示。

[0051] 本实施例的中心工作频率2.45GHz；考虑到共形的设计，选用的单元为圆极化贴片天线组阵。图6为仿真和测试的3个典型角度下方向图对比结果图，从图中可以看出，该天线
在3种不同角度下，测试与仿真方向图的吻合度很高，证明了分布式虚拟口径合成的有效
性。图7为仿真不同角度下归一化场强方向图，从图中可以看出该天线可实现±90°的扫描
范围。

[0052] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方
法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。