文摘
毫米波相控阵天线是一个更高的集成系统,是由不同的子数组模块,并在实际工程中,现有的振幅,相位错误,错误和结构性改变阵列天线的性能。本文研究随机幅度和相位误差的影响天线阵的实际装配过程和实际位置错误之间的子阵天线的电气性能。基于平面矩形天线array-electromagnetic耦合模型,我们提出的方法验证随机误差对相控阵天线的影响。仿真结果表明,该方法可以获得的关键价值产生的误差在加工和组装天线子数组。减少误差的因素,它是必要的,以确保随机相位和振幅误差不应超过 。的错误X方向应在装配 ,和错误的Y方向应该是 。当发生对称变形时,最大变形应小于 。
1。介绍
天线是雷达的重要组成部分,雷达技术的进步是离不开可靠和稳定的雷达信号,这将直接影响雷达的探测效果(1]。然而,单个天线的方向性是有限的,使用电扫描天线的空间,几个天线可以安排在一起经常产生定向的模式,即天线阵列(2]。毫米波具有波长短、微波和光波的综合优势。使用毫米波天线阵具有极宽的带宽,体积小,系统结构紧凑,和电磁能量集中3),特别适用于雷达和其他设备。
由移动通信系统的快速发展,为了更好地应用这个multi-antenna数组元素结构雷达设备,相控阵系统和多输入多输出(MIMO)系统已经出现。其中,相控阵系统已广泛应用在地面雷达早在1850年代,和米姆在2004年首次引入雷达技术概念,主要利用梁多样性分析和研究信号的到达角。虽然理论类似,应用程序场景有很大的不同。MIMO雷达主要用于民用,如工业物联网(物联网),由于其高丢包率和降低高速多路复用增益条件,并与5 g技术结合使用部署满足工业通信系统的需求(4]。为了改善其性能,模型和算法需要不断改进。所谓的四元数非圆形音乐(QNC-MUSIC)算法来提高DOA估计的准确性(5]。施等人构建一个通用的张量模型(6)和优化的张量最大化数量的检测目标,最后推导出Cramer-Rao绑定(CRB)的嵌套雷达,也证明了该方法的优越性。一个收发分置的互质EMVS-MIMO雷达框架提出了在7在[],和工作8)提出了一种新的封闭EMVS-MIMO雷达估计算法,构造了一个新的旋转不变的特性,取得了比现有的更好的估计算法。
与MIMO雷达相比,相控阵雷达有巨大的成本,更大的体积和重量,一个漫长的发展史和相对完整的技术,它主要是用于大型船载、机载雷达(9]。传输的天线单元间距的相控阵雷达通常的波长。为了阻止光栅叶出现,间隔通常设置为半个波长。在MIMO雷达,传感器间隔不应超过半波长,以避免相位模糊(10]。与传统的阵列相比,有源相控阵天线有多功能的优势,高可靠性和高检测和跟踪能力(11]。Vollbracht确定最优相位激励分布通过单馈电天线阵列的研究,证实的 天线子数组(12]。沙玛也提出了一种新的抗干扰组成的相控阵天线(13]。最近,一种高效的极化 毫米波天线阵提出了频带(14]。与传统的阵列相比,其阻抗带宽、稳定的增益,辐射带宽内改善。奥尔蒂斯等人基于衍射理论的数学模型用于评估极化天线之间的互耦的影响(15]。
传统的相控阵天线有更大的复杂性和高成本等问题16];我们可以用数字技术数字阵列单元拼接形成不同的大小和形式方面减少设计难度17]。然而,在实际工程中,有广泛的激励振幅和相位的变化而引起的错误(18),以及变形错误引起的处理和使用。因此,为了达到预期的天线旁瓣的需求和获得一个稳定的阵列设计,有必要对组装天线阵(执行误差分析19]。王的影响分析随机喂养错误,例如数组元素的失败率和喂养振幅和相位误差在相控阵天线的电气性能,并分析了碗表面变形和弯曲变形的系统误差影响相控阵天线的电特性20.]。陈和周提出的热变形误差的数学模型分析影响有源相控阵天线上的这些错误模式(21]。
当前对相控阵雷达的性能的研究主要集中在各种因素的影响在使用雷达天线的电气性能,和生产过程造成的错误和装配精度往往忽略。本文主要是基于误差理论建模的毫米波阵列天线。模型由两个 矩形子阵和工作频率为27.5 GHz 24.25 GHz∼。基于阵列天线模型的算法,我们可以引入随机幅度和相位误差的每个通道数组和结构错误引起的变形(22]。观察其对天线增益的性能影响,旁瓣水平波束宽度等。23- - - - - -25),实现快速分析这两种类型的错误的影响天线阵的电气性能,建立相关的输入参数的区间模型,并给出相关指数的波动区间,提供支持的稳健设计毫米波相控阵天线阵列。
2。有源相控阵天线的研究
作为一种特殊类型的天线,相控阵天线是由许多相同的独立天线元素组成天线阵列。通过控制辐射能量,每个单元之间的相位关系和使用不同的数组安排每个天线单元的阵列,激励反馈关系影响整个阵列的辐射场,准确和可预测的辐射模式和光束的方向,提高增益,扫描频率和抗干扰的数组26]。
与传统的被动阵列相比,活动数组采用分布式反馈结构,也就是说,每个单元天线阵的一个完整的传输/接收(T / R)实现高功率放大和高灵敏度接收单位(27]。与其它阵列相比,有源相控阵波束方向的灵活性,可以独立形式和控制多个光束,搜索、识别、跟踪多个目标。同时,由于有源相控阵天线采用高功率毫米波,其抗干扰能力大大增加(28]。
相控阵天线通常分为两种类型:线性数组和数组区域。线性阵列只有一维扫描功能。如果你想拥有二维扫描功能,需要结合多个一维线性阵列组成一个平面阵列天线。
图1显示了一个长方形的 网格平面阵列天线的天线元素;天线元素的中心位置 。假设天线元素都是相同的模式,分析方法是类似于一个线性数组,数组的平面阵列天线可以获得 在哪里 , , ,和 。铅笔平面天线阵列的光束是一个典型的特征模式。当每个天线的激励振幅元素是平等的,一个统一的平面阵列。正常化上述公式得到的矩阵因子均匀平面阵列:
3所示。误差建模理论
在实际的设计过程中,各种错误的影响必须考虑有源相控阵天线。这些错误都随机误差和系统误差,这可能是由于组件缺陷,或者他们可能是由于馈电网络,或其他因素。这些错误可能会导致天线增益下降,旁瓣水平增加,波束宽度扩大,辐射效率降低,甚至影响天线的波束指向,这很大程度上决定了有源相控阵雷达的性能(30.]。上面提到的错误都是随机误差,不能消除由于偶然性和不可预测性,以及所有大型天线阵列的性能受随机误差影响等元素的位置和振幅和相位的变化31日]。
3.1。平面阵列天线的建模
为了方便二维相控阵天线的仿真计算模式,使用坐标系统通常是选择表达模拟的方向。为了方便多维过程分析和实验验证,采用的表示方法如下:二维模式是由天线坐标系,和三维模式是由正弦坐标系(32]。
本文围绕二维数组模式建模。天线坐标系的坐标可以通过参数的特征和参数 。其中,的角吗 - - - - - -轴的 , ,和之间的角度吗 - - - - - -轴的投影线在XY飞机。规范化的振幅 ,和坐标对应的值是 。天线阵列方向图的坐标系如图2。
正弦空间是半球形映射从三维空间到二维平面,由三个变量表示 , ,和 ,这可以更直观地描述天线坐标系。从天线坐标系转换公式正弦空间如下:
可见空间的二维平面相控阵天线,一系列的值和是 ,和的值范围是 。对于理想平面阵列,没有 - - - - - -组件的位置函数数组元素,所以没有需要考虑的影响在数组中。
假设二维平面相控阵 辐射通道(33),矩形网格布置,信道间隔和 ,分别辐射单元的相位中心位置 。数组排列图中可以看到1。
然后,平面阵列天线的阵列因子模式
其中,和 ,分别代表数量的平面相控阵天线的方位角和仰角维度,和和 ,分别代表的坐标紫外线飞机在正弦空间表示,入射角对应点的所在, , 。 和是两个参数代表天线坐标系的空间角;复杂的激励信号的辐射渠道吗 :
加权振幅辐射渠道吗 ,和 是天线的波束方向。然后,二维阵列天线的模式可以表示为
根据模式产品的原则,考虑在数组元素的影响模式模式,二维阵列天线的表达式可以表示为 在哪里 是天线的模式元素数组中。
3.2。振幅和相位的随机误差
在实际工程中,会有一些错误的振幅和相位阵列元素。假设数组元素的振幅误差 是和相位误差 ,在哪里是一个较小的数量后转换为弧度系统。然后,阵列天线的阵列因子
根据泰勒的扩张,
完成天线阵因子的表达后,我们可以得到
其中,元素
自两个最小错误的产品,它将被忽略。可以简化为数组的因素 在哪里是数组的因素下的二维阵列天线理想的振幅和相位分布;是变化的量引起的振幅误差;和是数量的变化引起的相位误差。
理想的力量叶函数
从理论上讲,旁瓣的和可以设计成任意低,但由于振幅和相位误差的存在,减少旁瓣水平是有限的。当每个单元之间的振幅和相位误差,列和列,叶函数 在哪里和是辐射单元的振幅和相位分布 在天线阵。表达的振幅和相位误差可以通过高斯分布,均值为0,方差 , 。根据中心极限定理,证明了旁瓣水平R后考虑到误差服从Rician分布;也就是说,
是零级修正贝塞尔函数;是在理想条件下旁瓣水平值; , 是叶的方差,它代表协议实际叶的程度和理论设计带;和特征阵列的孔径效率的重量。因此,旁瓣的概率低于给定值是
在实际应用中,为了促进项目的实施,根据模块化设计要求的天线阵列,阵列通常分为多个小的子阵或模块,以饲料级联网络。在级联过程中,随机误差生成单元的子串。以下公式是天线的表达模式,当数组用作子数组构造数组。其他子阵类似的部门: 在哪里和是第n列的振幅和相位分布天线辐射元素的数组。
3.3。结构错误
天线阵的结构误差包括数组的加工误差、安装误差的辐射单元,框架和子阵列天线,天线的结构变形误差引起的变形。有源相控阵,加工、装配和其他链接将导致数组的变形和生成随机错误。在实际工作环境中,振动等因素的影响,和高温和低温也会导致变形的平面阵列,最后改变元素产生变形的位置错误,这将减少天线的电磁性能34]。因此,有源相控阵,提出了旁瓣增益下降,恶化指向精度。因此,研究之间的关系结构和电磁耦合有源相控阵天线电气性能随结构变化的分析误差相同大小的有源相控脉冲曲线表面(35,36),获取临界值波阵面变形和随机误差的总和,可为结构设计提供定量的理论指导和公差的合理分配。
4所示。仿真分析振幅和相位的随机误差
4.1。随机误差仿真分析
振幅和相位误差仿真分析过程中振幅和相位随机误差是随机值。随机误差概率分布服从高斯分布,和误差值范围被定义为方差。
在仿真过程中,采取了 平面相控阵天线为例,元素间距 , ,和天线元素模式使用高斯光束。过程中的随机误差分析、误差来源包括量化误差。数控衰减器的最小量化步长 ,和数字移相器采用6-phase移器。
让我们以随机相位和振幅误差的方差 和 作为一个例子来模拟数组模式下随机误差的影响。仿真结果的随机振幅和相位没有扫描和扫描天线如数据所示3和4。同样的,仿真结果数据的情况下 和 与上述实验数据绘制和分析。
(一)
(b)
(一)
(b)
表1的统计结果显示上述随机误差条件下的技术指标。随机误差对天线增益产生重大影响,旁瓣电平,波束宽度和光束指向上几乎没有影响。随着错误值的增加,天线增益逐渐减少,逐渐增加,副瓣电平和波束宽度逐渐扩大。错误值很大时,光束方向也将改变在某种程度上。
根据仿真结果表1随机误差的影响下,增益,旁瓣水平,等等,改变,影响阵列天线增益和总体性能。随着随机误差方差的增加,平均旁瓣水平和第一个数组的副瓣电平模式也会增加。当振幅随机误差方差超过和相位随机误差方差超过 ,不仅将数组的能源模式变得更加分散,旁瓣的位置的随机性会增加,第一个旁瓣水平将会大大增加的理想条件。此外,随机误差对天线波束扫描的影响就像,当它不是扫描。
4.2。验证多个随机的结果
以下是验证结论,振幅和相位随机误差不大于 。天线模式的仿真结果有5个随机振幅和相位错误如图5。
(一)
(b)
表2计算天线方位角和仰角天线的主要技术指标有5种不同的随机误差。比较后,增益下降小于或等于 ,小于或等于的旁瓣水平平均而言,波束宽度的变化 ,和波束指向的影响很小。
5。仿真分析结构错误
图6毫米波天线阵的原理图和中心阵列单元的数量,在吗 - - - - - -轴是方位角方向, - - - - - -轴方向的距离。数组的相关数据如下:(一)工作频率:24.25 GHz - 27.5 GHz(b)模型边界大小:100毫米(方位角方向)112毫米(范围方向)(c)矩形阵列单元安排:16(方位角方向)16(方位角方向)(d)天线单元中心间距:5毫米(方位角方向)6毫米(方位角方向)(e)基材:罗杰斯4350 b。厚度是2.5毫米。
5.1。子阵列组装错误
在实际的天线设计, 单位是用作子数组,和错误的子数组的位置在组装过程中必须考虑。
本文以 平面相控阵天线,即两个子数组,作为一个例子。元素的间距是 , ,天线元素模式使用高斯光束,元素模式功能 。其中,决定了辐射单元的增益。在这里,被选中时,增益约为6.4 dB。左边和右边一半数组的位置误差是由MATLAB编程仿真,模拟和子阵列误差的影响XY方向对天线性能进行了分析。
5.1.1。子阵列误差X方向
当有一个错误的X左和右的方向一半的数组,数组元素网格如图7。实验模拟天线模式的变化与一个错误的值 。
图8显示了投影的三维模式紫外线当有一个空间误差在左和右天线的一半。图9显示仿真结果定向模式的天线方位平面的左边和右边一半数组中有不同的错误X方向。高程平面几乎没有效果。图10显示技术指标的变化时天线方位平面的左边和右边一半数组中有不同的错误X方向。
(一)
(b)
(c)
(d)
5.1.2中。子阵列误差Y方向
当有错误的Y左和右的方向一半的数组,数组元素网格如图11。实验模拟天线模式的变化与一个错误的值 。
图12显示了投影的三维模式紫外线当有一个空间误差在左和右天线的一半。图13显示了天线的仿真结果高程平面模式时,左、右一半数组中有不同的错误Y方向。方位平面几乎没有影响。图14显示技术指标的变化时天线方位平面的左边和右边一半数组中有不同的错误Y方向。
(一)
(b)
(c)
(d)
5.1.3。子阵列误差XY方向
图15显示了投影的三维模式紫外线当有一个空间误差在左和右天线的一半。
表3显示技术指标的统计数据,如天线增益和旁瓣水平时XY方向改变在同一时间。
从上面的仿真结果,可以得出结论,差距产生的左派和右派数组的一半X方向会影响天线辐射功率的分布空间,和对旁瓣电平的影响更明显。随着差距的增加,电气平面阵列的孔径变大,变大的增益,波束宽度变得狭窄,射束方向不会改变。差距产生的左派和右派数组的一半Y风向会影响天线辐射功率的分布空间,导致倾斜旋转,产生重大影响的far-area旁瓣水平。随着差距的增加,电气平面阵列的孔径变大,变大的增益,波束宽度变得狭窄,射束方向不会改变。当XY方向变化的同时,它结合了上述两种情况。
在实际应用中,根据原则,旁瓣水平恶化不大于1 dB,错误的X方向应该是 ,和错误的Y方向应该是 。
5.2。子数组变形误差
假设一个振动载荷应用在雷达的操作,在四个角落的约束下,天线阵将进行对称和不对称的变形。平面矩形有源相控阵天线的子数组的变形通常是鞍状变形。在图所示的约束16。下面列出的一个典型的鞍状变形,天线变形对天线的影响模式模拟和分析,和天线的主要技术指标统计。
5.2.1。鞍型变形的数组
图17显示了鞍型天线阵的变形。归一化变形数据中心的每个天线元素如表所示4。
基于归一化变形、最大变形的天线阵,和天线的方位角和仰角模式模拟时的最大变形了 。图18显示数组的变化模式下方位平面鞍型变形。图19显示数组的主要技术指标的变化方位下鞍型变形。图20.显示数组高程的变化模式下平面鞍型变形。图21显示数组的主要技术指标的变化高度平面下鞍型变形。表5显示了主要技术指标的变化下的天线鞍型变形的数组。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
从数据18- - - - - -21和表5鞍型变形有很大的影响,方位平面和高程平面平面阵列的模式。随着变形量的增加,天线增益逐渐减少,旁瓣水平逐渐增加,波束宽度逐渐扩大,对天线波束方向几乎没有影响。当变形量大于或等于 ,方位平面和高程平面模式开始散焦现象,这种模式不再是重点,和第一零点就消失了。
5.2.2。分析变形误差的影响
为了验证鞍型变形是否会影响天线的扫描电子束,方位平面和高程平面,分别扫描−30°的定向模式在不同最大变形变量,如图22和23。从图可以看出,鞍型变形对天线波束扫描天线时基本上是一样的没有扫描。
集成的技术指标方位平面和高程平面鞍型变形的最大变形误差和技术指标的恶化是可以接受的。在工程实践中,最大变形误差值应控制 。
6。结论
在16×16二维阵列天线为例,本文构建了一个毫米波天线阵列误差理论模型。随机误差的影响造成的生产,XY引起的装配方向错误,和鞍型变形前的天线电气性能的条件下,分析了前面的大小不变。通过大量的数据计算,我们给了错误的影响之间的定量关系和天线的电气性能,绘制曲线的影响关系,最后获得的关键值。工程师可以参考本文的分析方法和结论来估计天线性能和提出合理的要求,天线阵列的加工公差在允许范围内的电气性能。在后续研究中,我们将进一步分析其他形式的错误的影响电气性能的天线和找到最好的校正方法,工程师可以得到更优化的天线设计和组装计划。从实验中获得的具体指标如下:(1)在工程实践中,我们应该尽量消除产生随机误差的可能因素。同时,严格控制生产过程和流程在生产和开发过程中,这样的方差的随机相位和振幅误差不超过 ,确保一个小对阵列天线的影响模式和满足阵列天线的性能需求。(2)造成的错误组装的左派和右派数组,一半的差距X方向,产生更明显的影响在旁瓣水平的差距Y方向会影响天线辐射功率的分布空间,导致倾斜旋转。当XY方向变化的同时,这是一个组合的两种情况。根据旁瓣水平恶化不超过1 dB,错误的X方向应该是 ,和错误的Y方向应该是 。(3)对称变形如鞍型变形主要影响天线的增益和能量分布和不会影响光束的方向。在工程实践中,以确保比旁瓣水平恶化 ,最大的变形应该比 。
数据可用性
所有的数据、模型和代码生成或使用在研究过程中都包含在本文中。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了中国国防基础科研项目资助下JCKY2019210B005, JCKY2018204B025, JCKY2017204B011,中国国防重点科研项目计划在格兰特ZQ2019D20401,和国家工程实验室的开放程序建模和模拟电子政务在格兰特MEL-20-02,和中国的基金会加强项目批准号2019 jcjzzd13300。