本发明属于阵列天线设计领域，特别是涉及一种低旁瓣阵列天线结构及设计方法。
背景技术：
阵列天线的辐射特性取决于5大要素，分别是天线单元的辐射特性、天线单元间距、天线单元数量、排列方式和天线单元激励；在设计低副瓣天线时，由于尺寸的限制，天线单元数量和排列方式等要素没有很大的选择空间，通常利用解析法专注于天线单元激励幅值的定量改变，因而忽略了天线单元间距对方向图的影响。阵列天线一般分为均匀间距和非均匀间距阵列天线两类，均匀间距天线阵列结构一致，理论分析简单，易于扩大天线规模，但单高增益和窄波束宽度都需要增大天线孔径，而增大孔径意味着要使用更多天线单元，这就导致天线系统设计复杂，功耗增高，成本升高，给阵列天线设计带来一系列问题，如天线的副瓣电平较高，有效输出功率受限，导致传输的信息速率较低；而非均匀间距阵列天线，由于天线单元间隔不等，天线引入新的变量，设计自由度增加，在满足特定间距放置的天线单元可直接降低天线副瓣电平，无需对天线单元激励进行幅度加权；若将天线单元间距和激励幅值结合，则可以进一步降低天线的副瓣电平，降低发射信号对的干扰，同时能将发射能量集中于波束主瓣。
技术实现要素：
本发明针对上述存在的问题，提出了一种低旁瓣阵列天线结构及设计方法，以解决现有技术的不足。
本发明采用的技术方案是：
一种低旁瓣阵列天线设计方法，在于构建一个非均匀天线单元间距的并行阵列天线，其设计方法采用差分优化算法，得到使副瓣电平最低的天线阵元间距分布和各个天线阵元激励幅值的最优解，在天线阵元间距分布的最优解位置设置天线单元，根据获得激励幅值的最优解确立天线单元的耦合槽的开槽长度，根据获得的天线阵元间距的最优解确立所述天线单元馈电网络的微带馈线长度。
进一步地，所述天线阵元间距分布和激励幅值的最优解求解过程如下：
步骤1：由阵列因子(af)函数确定阵列天线方向图函数，
式中：xn是沿阵列天线中心线性向两边分布的第n个阵元到阵列天线线性中心位置，in是第n个阵元的归一化激励幅值，k＝2π/λ，λ是空间波长，u＝sinθθ是方位角；
步骤2：计算峰值的副瓣电平psll(peaksidelobelevel)，公式为：
式中：us为除主瓣峰值以外的副瓣范围，af(us)为任意副瓣电平，x＝[x1,x2,···,xn]为阵元位置；
步骤3：以dmin≥0.5,dmax≤1和
式中：dmin为阵元归一化最小间距，dmax为阵元归一化最大间距；
对上述目标函数进行求解，找到一组满足优化目标的最优解x＝[x1,x2,···,xn]，i＝[i1,22,···,in]值，获得天线阵元间距分布与及各个阵元的激励幅度；
在获得的天线阵元间距分布的位置上设置天线单元。
进一步地，所述天线单元为三层结构，由下至上依次包括底层基板，中间层，顶层基板，所述底层基板的底面设置微带馈线，底层基板顶面设置接地板和耦合槽，所述中间层为空气层，所述顶层基板的底面放置贴片天线阵元。
进一步地，所述耦合槽确定过程如下：
步骤1：耦合槽设置为h型耦合槽，h型耦合槽的开槽部的坡印廷矢量s由中心指向两侧，且s的矢量方向近似垂直于h型耦合槽所在的平面；
步骤2：能量w与坡印廷矢量s的关系为，
式中：a为h开槽闭合空间；
通过公式(4)计算h型耦合槽的能量。
步骤3：在贴片天线阵元尺寸一定的条件下，设置最小h型耦合槽的中间开槽部长度及h型耦合槽的中间开槽部长度增幅值，通过公式(4)能量计算，获得不同h型耦合槽的长度与激励幅值比例关系，选择一组h型耦合槽的中间开槽部长度与所需最优激励幅度匹配的参数，设计h型耦合槽的长度。
进一步地，所述馈电网络由t型功分器级联而成，所述t型功分器的各支路馈线输出端设置微带馈线，所述微带馈线延伸至天线单元底层基板的底面，所述各支路的微带馈线长度不等且可调整，其中，微带馈线长度的数学关系是基于阵元位置确定的。
一种低旁瓣阵列天线结构，包括n个天线单元和馈电网络，所述n个天线单元中心对称非均匀分布，所述天线单元为三层结构，包括底层基板，中间层，顶层基板，所述底层基板的底面为微带馈线，底层基板顶面设置接地板和耦合槽，所述中间层为空气层，所述顶层基板的底面放置贴片天线阵元，所述贴片天线阵元设置为方形，所述耦合槽中心设置在方形中心，微带馈线从贴片边缘中心馈入，且垂直于所述耦合槽，所述馈电网络为多个t型功分器级联，所述微带馈线设置在多个t型功分器的输出端。
进一步地，所述底层基板为厚度为h1＝0.254mm、介电常数εr为2.2，tanδ为0.0009的rogersrt5800基板，所述顶层基板为厚度为h3＝0.787mm的rogersrt5800基板。
进一步地，所述天线单元n设置为8，中心对称的两个天线单元间距是0.7λ，激励幅度是1，依次向两端分布的天线单元与前一个天线单元的间距是0.72λ，0.75λ，0.77λ，对应的激励幅度是0.89，0.64，0.4。
进一步地，所述耦合槽是h形，h形槽的长度是4.5mm、4mm、3.8mm和3.2mm。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：通过改变天线单元间距降低阵列天线的副瓣，同时将坡印廷矢量方法应用于耦合槽的设计使副瓣进一步降低，加之，在天线测试时通过设计可调微带馈线弥补天线实际加工时存在的误差，进一步提高天线性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1，构造非均匀间距阵列天线的过程
图2，2n阵元非均匀间距阵列天线示意图
图3，天线单元立体图(a)天线单元俯视及侧视图(b)
图4，h型耦合槽天线单元电压驻波比
图5，h型耦合槽天线单元方向图
图6，t型功分器
图7，8阵元并联馈电网络支路结构关系
图8，8阵元天线馈电网络级联结构仿真图
图9，8阵元天线馈电网络端口功率分配和相位值
图10，坡印廷矢量
图11，低旁瓣阵列天线实物图
图12，8阵元天线电压驻波比仿真和实测对比
图13，从14、14.25和14.5ghz三个频点观察天线的方向图特性仿真和实测结果
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明具体公开了一种低旁瓣阵列天线设计方法，构造非均匀间距阵列天线，包括以下步骤；
模块100以工程设计需求设置天线需求参数，具体参数包括工作频段，中心频率，带宽，极化方式，阵列形式，辐射方向，天线增益等。
模块101选择天线基板材料，厚度及天线单元形状、尺寸，选择天线单元数目；
模块102采用差分优化算法，得到使副瓣电平最低的天线阵元间距分布和各个天线阵元激励幅值的最优解，在天线阵元间距分布的最优解位置设置天线单元；
模块103根据获得激励幅值的最优解确立天线单元的耦合槽的开槽长度；
模块104根据获得的天线阵元间距分布的最优解确立天线单元馈电网络的微带馈线长度。
具体地，模块102中所述天线阵元间距和激励幅值的最优解求解过程如下：
步骤1：由阵列因子(af)函数确定阵列天线方向图函数，
其中，xn是沿阵列天线中心线性向两边分布的第n个阵元到阵列天线线性中心位置，in是第n个阵元的归一化激励幅值，k＝2π/λ，λ是空间波长，u＝sinθθ是方位角；
步骤2：计算峰值的副瓣电平psll(peaksidelobelevel)，公式为：
式中：us为除主瓣峰值以外的副瓣范围，af(us)为任意副瓣电平，x＝[x1,x2,···,xn]为阵元位置；
步骤3：以dmin≥0.5,dmax≤1和
式中：dmin为阵元归一化最小间距，dmax为阵元归一化最大间距；
对上述目标函数进行求解，找到一组满足优化目标的最优解x＝[x1,x2,···,xn]，i＝[i1,22,···,in]值，获得天线阵元间距分布与及各个阵元的激励幅度；
在获得的天线阵元间距分布的位置上设置天线单元。
具体地，所述天线单元为三层结构，由下至上依次包括底层基板，中间层，顶层基板，所述底层基板的底面设置微带馈线，底层基板顶面设置接地板和耦合槽，所述中间层为空气层，所述顶层基板的底面放置贴片天线阵元。
具体地，模块103中所述耦合槽长度确定过程如下：
步骤1：耦合槽设置为h型耦合槽，h型耦合槽的开槽部的坡印廷矢量s由中心指向两侧，且s的矢量方向近似垂直于h型耦合槽所在的平面；
步骤2：能量w与坡印廷矢量s的关系为，
式中：a为h开槽闭合空间；
通过公式(4)计算h型耦合槽的能量。
步骤3：在贴片天线阵元尺寸一定的条件下，设置最小h型耦合槽的中间开槽部长度及h型耦合槽的中间开槽部长度增幅值，通过公式(4)能量计算，获得不同h型耦合槽的长度与激励幅值比例关系，选择一组h型耦合槽的中间开槽部长度与所需最优激励幅度匹配的参数，设计h型耦合槽的长度。
具体地，模块104中所述馈电网络由t型功分器级联而成，所述t型功分器的各支路馈线输出端设置微带馈线，所述微带馈线延伸至天线单元底层基板的底面，所述各支路的微带馈线长度不等且可调整，其中，微带馈线长度的数学关系是基于阵元位置确定的。
一种低旁瓣阵列天线结构，包括n个天线单元和馈电网络，所述n个天线单元中心对称非均匀分布，所述天线单元为三层结构，包括底层基板，中间层，顶层基板，所述底层基板的底面为微带馈线，底层基板顶面设置接地板和耦合槽，所述中间层为空气层，所述顶层基板的底面放置贴片天线阵元，所述贴片天线阵元设置为方形，所述耦合槽中心设置在方形中心，微带馈线从贴片边缘中心馈入，且垂直于所述耦合槽，所述馈电网络为多个t型功分器级联，所述微带馈线设置在多个t型功分器的输出端。
实施例：
所述工程设计需求参数如表1:
表1工程设计需求参数
1)天线单元间距和激励幅度计算，一种低旁瓣阵列天线结构天线采用天线单元中心对称非均匀分布，如图2所示，对于2n个阵元，δxn表示第n个天线单元与第n-1个天线单元的间距，设置天线单元数为8，为了降低天线互耦效应，将天线单元最小间距设为0.7λ，最大间距设为λ，将归一化最小激励幅值设为0.4，根据公式(1)(2)(3)，可以计算出天线单元之间的间距和激励幅度，如表2所示。
表28阵元天线阵元间距和激励幅值
2)天线单元设计，天线单元采用三层设计，如图3所示。最底层采用厚度为h1＝0.254mm、介电常数εr为2.2，tanδ为0.0009的rogersrt5800基板，基板的底面为可调整微带馈线，顶面为开h型槽的接地板；中间层为厚度为h2的空气层；最顶层采用厚度为h3＝0787的rogersrt5800基板，底面放置贴片单元，这样顶层基板还可以充当天线盖，起到保护天线的作用。h型缝隙开槽相对矩形缝隙开槽在同样的尺寸下可得到更大的耦合，给阻抗匹配带来便利，因此天线单元设计采用h形槽，其中参量ll为微带馈线穿过h形槽中心的长度值。
为了减少过多的可变参数，降低优化难度，首先，天线单元采用方形贴片代替矩形贴片，即wp＝lp，方形贴片的初始尺寸仍由矩形贴片的计算公式求得。其次将h型槽放置在贴片中心位置，可调整微带馈线从贴片边缘中心馈入，且垂直于h型槽。
天线电压驻波比和方向图仿真结果如图4和图5所示，由图4可以看出，天线在12.81ghz到14.85ghz范围内天线驻波比小于2，相对带宽为14.4％，极大的拓宽了天线带宽，由图5可以看出，单元增益只有10dbi，且副瓣电平过高，无法应用到工程中，因此，采用天线单元阵列方式构造天线，其中天线单元间距由按表设置。
3)馈电网络设计
采用t型功分器级联网络，其中，如图6所示,t型功分器a端口为输入端，b、c端口为输出端，当输出端功率一致，即分配比为1:1时，满足
由于激励幅值的改变是通过槽长度变化实现的，因此只需要设计等辐同相的馈电网络，馈电网络的激励幅值是通过每个t型功分器的功率配比决定的，保持每个t型功分器的输出端馈线宽度一致即可保证阵元激励幅值相等，天线单元的相位是由从馈电端到天线单元的馈线长度决定的，为保证相位一致，每条支路的馈线总长要相等，基于天线单元位置，将各支路馈线每一小段设为变量，确定各段的数学关系，由于馈电网络是对称结构，只用构造天线一侧的馈线关系，如图7所示。结合耦合馈电的特点，在各输出端口增加一段相同的微带线，通过调节其尺寸，可以快速实现天线的阻抗匹配，而不影响功率分配。据此天线单元位置，构建一分八的并联型馈电网络进行，根据仿真结果多次调整对应馈线的长度，使仿真结果满足要求。仿真如图8，仿真结果如图9，各输出端口的功率值s*1都在-9db左右，极差不超过0.4db，功率分配基本一致；同时相位曲线基本重合，馈电网络在较宽的频率范围内实现了同相激励。
由于接地板开槽且多层基板层叠相互耦合，馈电网络在天线单元能量分配上可能会受到影响。本文通过坡印廷矢量s进一步探究各阵元获得能量的大小。能量w与坡印廷矢量s的关系为：
式中：a为闭合曲面。
贴片和h型耦合槽的坡印廷矢量如图10所示。
通过仿真获得槽长度与能量的对应关系，穿过槽面的能量比值并不与槽长度比值完全对等，能量与槽长度呈现非线性，因此，激励幅值比不能简单的用槽长度比来代替，在贴片尺寸确定的条件下，槽的长度是影响增益和阻抗匹配的关键因素，通过仿真不断调节槽长度，直到满足激励幅值比例关系，当输入功率为1w时，各贴片对应h型耦合槽的长度和功率如表3所示。
表3槽长度及功率分配
在上述的h型耦合槽的长度设置下，穿过h型耦合槽的能量接近激励幅值的理论值，近似的认为贴片接收的能量满足设计要求，天线参数如表4。
表4h型缝隙宽带天线参数
实物如图11
经测试，天线电压驻波比结果如图12所示，可以看出，仿真时，天线在13.67～15.48ghz范围内电压驻波比小于1.5，实测时，天线在13.84-15.5ghz范围内电压驻波比小于1.5，带宽覆盖了14～14.5ghz，满足了发射天线的带宽要求。
从14、14.25和14.5ghz三个频点观察天线的方向图特性，仿真和实测结果如图13所示，增益、副瓣电平和主瓣宽度的性能对比如表5所示。
表5h型缝隙宽带天线不同频点性能对比
随着频率升高，天线的增益略有降低，主瓣宽度与增益变化趋势一致，增益越高，主瓣宽度越窄。三个频点的副瓣电平均低于-19.5db，天线阵列在工作带宽内实现了低副瓣。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
1.一种低旁瓣阵列天线设计方法，其特征在于，构建一个非均匀天线单元间距的并行阵列天线，其设计方法采用差分优化算法，得到使副瓣电平最低的天线阵元间距分布和各个天线阵元激励幅值的最优解，在天线阵元间距分布的最优解位置设置天线单元，根据获得激励幅值的最优解确立天线单元的耦合槽的开槽长度，根据获得的天线阵元间距分布的最优解确立天线单元馈电网络的微带馈线长度。
2.根据权利要求1所述的一种低旁瓣阵列天线设计方法，其特征在于，所述天线阵元间距分布和激励幅值的最优解求解过程如下：
步骤1：由阵列因子(af)函数确定阵列天线方向图函数，
其中，xn是沿阵列天线中心线性向两边分布的第n个阵元到阵列天线线性中心位置，in是第n个阵元的归一化激励幅值，k＝2π/λ，λ是空间波长，u＝sinθθ是方位角；
步骤2：计算峰值的副瓣电平psll(peaksidelobelevel)，公式为：
式中：us为除主瓣峰值以外的副瓣范围，af(us)为任意副瓣电平，x＝[x1,x2,…,xn]为阵元位置；
步骤3：以dmin≥0.5,dmax≤1和
式中：dmin为阵元归一化最小间距，dmax为阵元归一化最大间距；
对上述目标函数进行求解，找到一组满足优化目标的最优解x＝[x1,x2,…,xn]，i＝[i1,22,…,in]值，获得天线阵元间距分布与及各个阵元的激励幅度；
在获得的天线阵元间距分布的位置上设置天线单元。
3.根据权利要求2所述的一种低旁瓣阵列天线设计方法，其特征在于，所述天线单元为三层结构，由下至上依次包括底层基板，中间层，顶层基板，所述底层基板的底面设置微带馈线，底层基板顶面设置接地板和耦合槽，所述中间层为空气层，所述顶层基板的底面放置贴片天线阵元。
4.根据权利要求3所述的一种低旁瓣阵列天线设计方法，其特征在于，所述耦合槽确定过程如下：
步骤1：耦合槽设置为h型耦合槽，h型耦合槽的开槽部的坡印廷矢量s由中心指向两侧，且s的矢量方向近似垂直于h型耦合槽所在的平面；
步骤2：能量w与坡印廷矢量s的关系为，
式中：a为h开槽闭合空间；
通过公式(4)计算h型耦合槽的能量。
步骤3：在贴片天线阵元尺寸一定的条件下，设置最小h型耦合槽的中间开槽部长度及h型耦合槽的中间开槽部长度增幅值，通过公式(4)能量计算，获得不同h型耦合槽的长度与激励幅值比例关系，选择一组h型耦合槽的中间开槽部长度与所需最优激励幅度匹配的参数，设计h型耦合槽的长度。
5.根据权利要求3所述的一种低旁瓣阵列天线设计方法，其特征在于，所述馈电网络由t型功分器级联而成，所述t型功分器的各支路馈线输出端设置微带馈线，所述微带馈线延伸至天线单元底层基板的底面，所述各支路的微带馈线长度不等且可调整，其中，微带馈线长度的数学关系是基于阵元位置确定的。
6.一种低旁瓣阵列天线结构，其特征在于，包括n个天线单元和馈电网络，所述n个天线单元中心对称非均匀分布，所述天线单元为三层结构，包括底层基板，中间层，顶层基板，所述底层基板的底面为微带馈线，底层基板顶面设置接地板和耦合槽，所述中间层为空气层，所述顶层基板的底面放置贴片天线阵元，所述贴片天线阵元设置为方形，所述耦合槽中心设置在方形中心，微带馈线从贴片边缘中心馈入，且垂直于所述耦合槽，所述馈电网络为多个t型功分器级联，所述微带馈线设置在多个t型功分器的输出端。
7.根据权利要求6所述的一种低旁瓣阵列天线结构，其特征在于，所述底层基板为厚度为h1＝0.254mm、介电常数εr为2.2，tanδ为0.0009的rogersrt5800基板，所述顶层基板为厚度为h3＝0.787mm的rogersrt5800基板。
8.根据权利要求7所述的一种低旁瓣阵列天线结构，其特征在于，所述天线单元n设置为8，中心对称的两个天线单元间距是0.7λ，激励幅度是1，依次向两端分布的天线单元与前一个天线单元的间距是0.72λ，0.75λ，0.77λ，对应的激励幅度是0.89，0.64，0.4。
9.根据权利要求8所述的一种低旁瓣阵列天线结构，其特征在于，所述耦合槽是h形，h形槽的长度是4.5mm、4mm、3.8mm和3.2mm。
技术总结