赋形波束天线设计讲稿

二、主要内容
赋形波束天线设计
主要内容
阵列天线赋形波束设计理论 波导裂缝天线赋形波束设计与试验 双弯曲反射面天线赋形波束设计
三、阵列天线赋形波束设计理论
赋形波束天线设计
3.1 分类
按幅相加权形式分类： 复数加权 仅幅度加权 仅相位加权 按阵元排列形式分类： 等距 不等距
适用于线阵。控制较灵活。 特点： 功率方向图 Schelkunoff多项式 多解
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赋形波束天线设计
Orchard-Elliott
应 用 实 例
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3.3 等距阵复数加权波束赋形 d) 数值方法 Iterative sample
Reference: Orchard H J, et al. Optimizing the synthesis of shaped beam antenna patterns[J]. IEE Proceedings H, 1985, 132: 63-68.
赋形波束天线设计
李建新
目 录
一、引 言 二、主要内容 三、阵列天线赋形波束设计理论 四、波导裂缝天线赋形波束设计与试验 五、双弯曲反射面天线赋形波束设计
一、引 言
赋形波束天线设计
在雷达、通讯等众多领域中，往往需要特殊形状的天线波束(如 余割平方波束、宽波束等)，即赋形波束。
可应用于三坐标雷达、目标指示雷达、二次航管雷达、星载和 机载SAR、询问机天线等领域。 赋形波束主要可通过二大类天线加以实现： 阵列天线(波导裂缝天线) 反射面天线
适用于具有等幅或Taylor分布的线性或圆口径 可实现不对称副瓣赋形、低副瓣和平坦波束
用Simulated annealing algorithm迭代
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相位分布
赋形波束
等幅线源不对称副瓣赋形(10λ)
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相位分布
低副瓣
等幅线源降低副瓣电平(10λ)
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Particle swarm optimization
Reference: Boeringer D W, Werner D H. Particle swarm optimization versus genetic algorithms for phased array synthesis[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2004, 52(3): 771-779.
Woodward-Lawson是一种经典综合方法，综合任何函数。 适用于连续线源和离散线阵。 用谐波电流及其对应场－空间子波束或构成函数的概念。
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赋形波束天线设计
Woodward综合实例
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3.3 等距阵复数加权波束赋形 b) Fourier变换法
Reference: 1) 吕善伟. 天线阵综合[M]. 北京：北京航空学院出版社, 1988. 97-99. 2)姜永权. 基于IDFT的指定方向图形状的阵列综合研究[J]. 中国空间科学技术, 1996, 16(2): 1-6.
适用于任意幅度加权线阵，是一种迭代算法
可实现不对称副瓣赋形、宽凹口
部分单元仅相位加权
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赋形波束天线设计
赋形波束天线设计
赋形波束天线设计
宽凹口
不对称副瓣
基于自适应阵列理论赋形实例(32元，相位分布反对称)
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3.4 等距阵仅相位加权波束赋形 e) 其它数值方法 Genetic algorithm
一种数值迭代算法。
实例(40元线阵)
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3.4 等距阵仅相位加权波束赋形 c) Null perturbation
Reference: 1) Trastoy A, Ares F, Moreno E. Phase-only control of antenna sum and shaped patterns through null perturbation[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2001, 43(6): 45-54.
3.2 重点 等距阵复数加权波束赋形 等距阵仅相位加权波束赋形 不等距阵赋形波束设计
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3.3 等距阵复数加权波束赋形 a) Woodward-Lawson
Reference: 1) 吕善伟. 天线阵综合[M]. 北京：北京航空学院出版社, 1988. 100-104. 2) Hansen R C. Array pattern control and synthesis[J]. Proceedings of the IEEE, 1992, 80(1): 141-151. 3) 单秋山, 等. 一种天线阵方向图综合法[J]. 电子学报, 1994, 22(9): 93-95. 4) 孙茂友 . 离散阵的 W-S综合法 —Woodward法改进 [J]. 电波传播学报, 1995, 10(1,2): 166-171.
Ishimaru等的经典分析基于Poisson求和公式，参考文献中讨论 了均匀激励不等距阵旁瓣抑制，并指出该方法适用于波导裂缝行波 阵(不等距)设计。
Conjugate gradient
Reference: Fong T S, et al. Method of conjugate gradients for antenna pattern synthesis[J]. Radio Science, 1971, (6): 1123-1130.
Genetic algorithms
根据给定的目标函数和已知幅度分布，给出相位分布的积分表达 式，应用于阵列时进行离散抽样。 解析法。
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相位分布
扇形波束
Stationary phase法实例
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3.4 等距阵仅相位加权波束赋形 b) Beam-shape transformation
Reference: 1) 胡锦林, 林世明. 阵列天线波束形状转 换的方法[J]. 电波科学学报, 1994, 9(4): 89-93.
相位分布
赋形波束
线源幅度分布为-25dB的Taylor分布，nb=7，不对称赋形
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相位分布
平坦波束
线源幅度分布为-25dB的Taylor分布，nb=7，平坦波束
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3.4 等距阵仅相位加权波束赋形 d) Adaptive array theory
Reference: 1) Dufort E C. Low sidelobe electronically scanned antenna using identical transmit/receive modules[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1988, 36(3): 349-356. 2) Dufort E C. Pattern synthesis based on adaptive array theory[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1989, 37(8): 1011-1018. 3) Li J X, Guo Y C. Phase-only pattern shaping for phased array antennas[J]. 现代雷达, 1993, 15(6): 65-71. 4) 李建新. 阵列部分单元相位加权波瓣综合[J]. 2001, 16(4): 433-436.
3.4 等距阵仅相位加权波Байду номын сангаас赋形 a) Stationary phase
Reference: 1) Chakraborty A, et al. Determination of phase functions for a desired one-dimensional pattern[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1981, 29(3): 502-506. 2) Chakraborty A, et al. Beam shaping using nonlinear phase distribution in a uniformly spaced array[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1982, 30(5): 1031-1034.
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3.5 不等距阵赋形波束设计 不等距阵列天线分析起源于Unz的研究，引入Jacobi展开式，根 据矩阵公式得到不等距线阵辐射特定方向图所需的电流分布。
Reference: 1) Unz H. Linear arrays with arbitrary distributed elements[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1960, (8): 222-223.
Reference: 1) Marcano D, Duran F. Synthesis of antenna arrays using genetic algorithms[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2000, 42(3): 12-20. (复加权) 2) Boeringer D W, Werner D H. Adaptive mutation parameter toggling genetic algorithm for phase-only array synthesis[J]. Electronics Letters, 2002, 38(25): 1618-1619. 3) 徐慧, 李建新, 胡明春. 星载SAR波束展宽研究[A]. 2005年中国合成孔径雷达会议论文集[C]. 南京: 中国电子学会无线电定位技术分会, 2005. 27-31.
Reference: Marcano D, Duran F. Synthesis of antenna arrays using genetic algorithms[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2000, 42(3): 12-20.
赋形波束天线设计
有以下特点： 理想FFT需无限长源，所以长阵比短阵有较好的近似性 方向图有不连续点或某处数值变化很快，综合的方向图总会 呈现振荡形突跳(Gibbs)现象——加窗
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Fourier应用实例(8元/16元)
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Gibbs
Fourier
加Hamming窗
加窗应用实例(20元)
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3.3 等距阵复数加权波束赋形 c) Orchard-Elliott
Reference: 1) Orchard H J, et al. Optimizing the synthesis of shaped beam antenna patterns[J]. IEE Proceedings H, 1985, 132: 63-68. 2) Kim Y U, Elliott R S. Shaped-pattern synthesis using pure real distributions[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1988, 36(11): 1645-1649. 3) Rodriguez J A, et al. Extension of the Orchard-Elliott synthesis method to pure-real nonsymmetrical-shaped patterns[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, 45(8): 1317-1318.