一种应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法

本发明属于智能无人飞行器、毫米波天线领域，涉及无人飞行器天线阵列排布，特别地涉及一种应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法。

背景技术：

1、自21世纪以来，小型无人机在载荷能力、续航能力和成本降低方面不断取得进展。智能技术，如协同、自主和集群技术，推动了小型无人机群的实际应用。如图1所示，具有电磁辐射能力的多个无人机在空间中聚集后形成一个三维可调天线阵列。此外，在将多个天线阵列进行网络化后，可以形成具有扩展运行范围和功能的无人机群网络天线阵列。

2、近年来，受到协同和集群技术等智能技术的推动，无人机群已经朝着在许多领域的实际应用迈进。例如，中国电子科技集团公司在2017年成功进行了一次由200架小型固定翼无人机组成的群体飞行测试。对无人机群形态、规模和姿态的灵活控制带来了新的设计维度和应用场景。然而，由于无人机体积较大，必须保持无人机之间的较大距离。换句话说，无人机群天线阵列将是一个稀疏阵列，容易产生旁瓣，从而影响阵列性能。

3、稀疏阵列(sparse array)的概念在20世纪60年代被提出，当时有一些研究分析了阵列元素间距变化对阵列模式的影响，并进行了总结。随后，优化算法逐渐进入了阵列天线领域，如遗传算法(ga)、贝叶斯压缩、侵入性杂草优化算法(iwo)和粒子群优化算法(pso)等。然而，现有的稀疏方法主要集中在二维阵列上，并不适用于无人机群。

4、为解决上述问题，本发明公开了一种针对无人机群三维阵列的栅瓣抑制方法。该发明结合了二维阵列的三维叠加，并通过调整天线之间的相位有效地抑制了栅栏的产生。为验证可行性，本申请成功组装了一个间距为1.5λ0且栅瓣水平抑制到-13db以下的二维天线阵列。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法，包括以下步骤：

2、s1、设置无人机阵列天线初始三维阵列参数，层间相位差记为plow；初始plow＝0；副瓣最优值记为sllbest；初始sllbest＝0；

3、s2、优化三维阵列的辐射方向图；记录此时三维阵列对应的辐射方向图，以及相应的副瓣值sllnow；

4、s3、比较sllbest和sllnow的大小；同时比较plow是否大于等于2π；当sllnow更小，则将其换成sllbest并且将plow的值增加，返回步骤s2；当sllbest更小或者plow大于等于2π，则输出相应的plow以及辐射方向图并结束算法。

5、优选地，三维阵列的辐射方向图优化方法包括以下步骤：

6、s21、建立无人机群三维阵列单元位置矩阵；

7、s22、根据三维阵列单元之间的位置、单元间馈电的相位以及幅度，将三维阵列中各个单元辐射方向图进行叠加，结合三维阵列单元位置表达式，得到整个三维阵列的辐射方向图表达式；将三维阵列的整体辐射方向图分解为一个元因子和一个阵因子相乘，其中元因子是二维平面阵列中相同单元的辐射方向图表达式，阵因子就是对单元辐射叠加的表达式；

8、s23、利用笛卡尔坐标系和球坐标系之间的转换关系对三维阵列的辐射方向图表达式进行相应的坐标变换，得到三维等幅同相阵列辐射方向图的球坐标系表达式；

9、s24、利用的是指数计算和矩阵之间的关系，将三维等幅同相阵列辐射方向图的球坐标系表达式中的叠加计算全部带入了矩阵中进行消除，得到只包含矩阵表达式的三维等幅同相阵列的辐射方向图表达式；然后将其中的公共矩阵以及系数放在表达式的前部，只对后半部分有影响的表达式进行优化计算，最终得到优化后的三维等幅同相阵列方向图。

10、优选地，三维阵列中单元布阵间距均大于半波长。

11、优选地，三维阵列中单元布阵间距为1.5倍波长。

12、优选地，同层中所有单元的幅相一致。

13、上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

14、本发明提供的一种应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：

15、与传统的二维阵列天线相比，所提出的阵列天线具有三维轴，使得辐射图案的计算变得复杂。首先将三维天线阵列中的每个单元放入矩阵中进行表示，进而可以得出对应阵列的三维方向图的结果。传统阵列中单元间距为半波长，但是在无人机天线阵列中不止需要考虑天线部分，还需要考虑无人机尺寸。因此该发明此处假定无人机之间间距为1.5λ0，并以此为天线阵列中单元间距进行计算。最终通过优化设计，设计出一款间距为1.5λ0且栅瓣水平抑制到-13db以下的二维天线阵列。

技术特征：

1.一种应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法，其特征在于，三维阵列的辐射方向图优化方法包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法，其特征在于，三维阵列中单元布阵间距均大于半波长。

4.根据权利要求3所述的应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法，其特征在于，三维阵列中单元布阵间距为1.5倍波长。

5.根据权利要求1所述的应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法，其特征在于，同层中所有单元的幅相一致。

技术总结本发明提供了一种应用于无人机集群天线阵列的栅瓣抑制方法，属于智能无人飞行器、毫米波天线领域。近年来，小型无人机在载荷能力、续航能力和成本降低方面取得了显著进展，并得益于智能技术的发展，如协同、自主和集群技术，实际应用也得到了推动。本发明通过将多个具有电磁辐射能力的无人机聚集形成一个三维可调天线阵列，利用三维阵列的特性，通过调整天线之间的相位有效地抑制栅瓣的产生。此外，将多个天线阵列进行网络化后，还可以形成具有扩展运行范围和功能的无人机群网络天线阵列。相较于传统准无衍射波束方法，本发明在防遮挡、保证能量和信号完整性等方面具有明显优势，可以提高无人机群的阵列性能，并扩展其运行范围和功能。技术研发人员：吴亚飞,古旭鹏,游青,程钰间,王洪斌,何宗锐,杨海宁,赵明华,李廷军,牛中乾,张波,王成,董元旦,樊勇受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29