CN101916904A - 移动卫星通信多子阵平板天线阵及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移动卫星通信多子阵平板天线阵及其优化方法，其天线阵包括多个平板天线子阵、天线转台和分别连接在各平板天线子阵的辐射单元与信号收发端口之间的多个馈线系统，多个平板天线子阵平行安装在天线转台上且其目标仰角均相同；馈线系统包括移相器和多套延迟线；其优化方法包括以下步骤：一、参数设置；二、采用运算处理器且利用改进的遗传算法进行天线子阵间距优化；三、采用运算处理器进行延迟线长度优化。本发明结构简单、重量轻、高度低、成本低且安装布设方便，所采用的优化方法设计合理且实现方便，能有效解决了多子阵平板天线阵的天线方向图特性变差与副瓣电平抬升和天线的瞬时信号带宽变小两大实际问题。

Description

移动卫星通信多子阵平板天线阵及其优化方法

技术领域

本发明涉及一种移动卫星通信用多子阵天线阵，尤其是涉及一种移动卫星通信多子阵平板天线阵及其优化方法。

背景技术

动中通卫星通信系统是指移动载体(例如汽车、火车、飞机、轮船等)在快速运行过程中实现与目标卫星(静止或定点卫星，即同步轨道卫星)实时通信的系统。实际工作中，因为目标卫星距地面的距离很远(约4万公里)，要实现卫星与地面载体间高码速率的多媒体通信，就必须采用高增益天线。由于这种天线的波束宽度很窄，要保证载体在快速移动过程中能够正常且不间断地与卫星通信，则必须使其天线波束始终准确地对准卫星。移动卫星通信按其所采用的天线类型大体可分为两类：反射面天线动中通和平板天线动中通。目前，国内研制的动中通系统大多都是反射面天线动中通，其体积较大，天线高度较高，不能完全满足车载环境下的使用，现如今天线的高度问题已经极大地限制了动中通卫星通信系统的推广。相比之下，平板天线动中通由于其结构上的优势，可以在很低的天线高度情况下保持较高的天线增益。

多子阵技术是平板天线动中通降低天线高度的一种主要方法。由于多子阵平板天线阵本身的离散口径，天线的性能受到了很大的影响，副瓣电平较高，同时由于分板后的孔径渡越时间较长，使得天线的瞬时信号带宽较小。综上，平板天线动中通具有高度上的明显优势，能够满足各种移动载体对其小型化和易安装的使用要求，与单个平板天线相比，多子阵平板天线阵主要带来两个问题：一个是天线方向图特性变差与副瓣电平抬升，另一个是天线的瞬时信号带宽变小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构设计合理、高度低、重量轻、造价较低且使用效果好、安装布设方便、可方便安装于各种移动载体上的移动卫星通信多子阵平板天线阵。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于：包括多个平板天线子阵、供多个所述平板天线子阵安装的天线转台和分别连接在各平板天线子阵的辐射单元与信号收发端口之间的多个馈线系统，多个所述平板天线子阵平行安装在天线转台上且多个所述平板天线子阵对准目标卫星的目标仰角均相同；所述馈线系统包括与所述信号收发端口相接的移相器以及接在平板天线子阵的辐射单元与移相器之间的多套延迟线，所述平板天线子阵的数量为Q个且相邻两个平板天线子阵之间的间距为d_i，其中i＝1、2、3...Q-1，且d_i表示Q个平板天线子阵中第i个平板天线子阵与第i+1个平板天线子阵之间的间距；所述延迟线的套数与对平板天线子阵的扫描范围进行均匀分区后的扫描分区个数相同。

上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是：所述天线转台包括支架和通过转轴安装在支架上的转盘，多个所述平板天线子阵均安装在转盘上。

上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是：所述馈线系统还包括低噪声放大器和接在移相器与所述信号接收端口之间的功率合并器，所述低噪声放大器接在平板天线子阵的辐射单元与延迟线之间。

上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是：所述平板天线子阵中包含工作在不同频段上的多个天线单元。

上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是：所述移相器与对其相移量进行控制调整的激励器相接，所述激励器与由主控制器进行控制的波束控制器相接，且所述波束控制器和所述激励器组成以电扫描方式对平板天线子阵的俯仰方向进行控制的俯仰控制单元。

上述移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征是：安装在平板天线子阵上的方位轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的方位电机相接，所述伺服控制器与主控制器相接且由主控制器进行控制，所述方位电机与所述伺服控制器相接，且所述伺服控制器为以机械扫描方式对平板天线子阵的方位方向进行控制的方位控制单元。

同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、实现方便且优化效果好、能有效降低平板天线的副瓣电平并提高平板天线的瞬时信号带宽的移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、参数设置：通过与运算处理器相接的参数设置单元对所述运算控制器的初始控制参数d_min、D和p进行控制，其中d_min为相邻两个平板天线子阵之间间距d_i的最小值，D为多个平板天线子阵中相邻两个平板天线子阵之间的间距d_i之和，p为平板天线子阵的扫描范围进行均匀分区后的扫描分区个数且所述延迟线的套数为p，平板天线子阵的扫描范围为[α_A，α_B]；同时，还需对由多个平板天线子阵所组成的平板天线阵的中心频率f₀进行设置；

步骤二、采用运算处理器进行天线子阵间距优化，其优化过程如下：

201、建立间距优化数学模型：所建立的间距优化数学模型为：

PSLL(α)＝f(d₁，d₂，…，d_Q-1，α)，且优化条件为

其中i＝1、2、3...Q-1并按空间顺序对Q个平板天线子阵进行一一编号，Q为平板天线子阵的数量；其中α∈[α_A，α_B]且α表示[α_A，α_B]内任一角度，PSLL(α)为各平板天线子阵的目标仰角为α时所述平板天线阵的峰值旁瓣电平；

由于多个所述平板天线子阵的俯仰维上所包含天线单元的数量相同，每个平板天线子阵的俯仰维上的所有天线单元均为均匀布设且多个所述平板天线子阵的俯仰维上的相邻两个天线单元的间距均相同，则多个所述平板天线子阵的天线方向图函数均相同且均为f_α(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)；相应地，所述平板天线阵的天线方向图函数F(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)＝E(θ)·f_α(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)；式中，E(θ)为平板天线子阵在俯仰维上的方向图函数，且

其中，d_x为平板天线子阵的俯仰维上的相邻两个天线单元之间的间距，N为平板天线子阵的俯仰维上所包含天线单元的数量，k＝2π/λ＝2πc/f为来波信号的自由空间波数，c为光速，f为所述平板天线阵的通信频率，exp为指数函数，e(θ)为所述天线单元的方向图函数，n＝1、2、3...N；

当多个所述平板天线子阵的俯仰角度可调时，安装在平板天线子阵上的俯仰轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的俯仰电机相接，且所述俯仰电机与所述伺服控制器相接，所述伺服控制器与主控制器相接且由主控制器进行控制；所述俯仰轴为转轴；此时，函数式中d_i表示第i个平板天线子阵与第i+1个平板天线子阵的间距且d₀＝0，相应地d_i-1表示第i-1个平板天线子阵与第i个平板天线子阵的间距，c_q为第q个平板天线子阵的幅度加权，θ为扫描角且0≤θ≤π，Φ_q(α)为第q个平板天线子阵的馈电网络提供的移相量，且q＝1、2、3...Q，k＝2π/λ＝2πc/f，α为平板天线子阵的目标仰角；而当多个所述平板天线子阵的俯仰角度均固定不变且各平板天线子阵的俯仰角度均为β时，函数 $f_{\mathrm{\α}}(\mathrm{\θ},d_1,d_2,\·\·\·,d_{Q-1},\mathrm{\α})=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{c}_q\·\exp \left[j({\mathrm{\Φ}}_q\left(\mathrm{\α}\right)+k\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/2)\·\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{i-1})\right];$

所述平板天线阵的天线方向图中的峰值旁瓣电平可表示为函数

此时式中C₀为修正常数，FF_max为主瓣峰值且FF_max＝max{|F(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)|}；

202、峰值旁瓣电平求解：采用运算处理器且根据步骤201中所建立的间距优化数学模型为PSLL(α)＝f(d₁，d₂，…，d_Q-1，α)，求出在

且各平板天线子阵的目标仰角为α条件下，所述平板天线阵的峰值旁瓣电平和峰值旁瓣电平对应的相邻两个平板天线子阵之间的间距d_i；

203、优化目标确定：所确定的优化目标函数为：

且所述优化目标函数表示以求出的[α_A，α_B]内最大的峰值旁瓣电平达到最小值为优化目标，此时的峰值旁瓣电平及对应的最优子阵间距根据步骤202中所述的峰值旁瓣电平及子阵间距求解方法进行求解；

204、数据输出：输出步骤203中在满足优化目标条件下，所求解出的最优天线子阵间距；

205、按照步骤204中所输出的最优天线子阵间距对多个所述平板天线子阵进行布设；

步骤三、采用运算处理器进行延迟线长度优化，其优化过程如下：

301、分区：将所述平板天线阵的扫描范围即区间[α_A，α_B]均匀划分为p个扫描分区，并相应推算出各扫描分区内平板天线子阵的目标仰角的上限值和下限值，所划分成的p个扫描分区分别与p套延迟线一一对应；

302、延迟线最优长度求解：对p套延迟线的最优长度分别进行求解，且对p套延迟线的最优长度的求解方法均相同，当目标位置位于任一扫描分区时，则平板天线子阵中的馈线系统自动切换至与当前扫描分区相对应的一套延迟线；对与当前扫描分区相对应的延迟线的最优长度进行求解时，其求解过程如下：

3021、移相器的相移量为零时所述平板天线阵的天线波束指向角度α₀求解：所述运算处理器根据公式计算得出α₀，式中α_a和α_b分别为步骤301中所推算出的与当前所优化延迟线相对应的扫描分区内平板天线子阵的目标仰角的上限值和下限值，

其中Δf为所述平板天线阵的当前通信频率与中心频率f₀之间的频率偏差值，f₀为所述平板天线阵的中心频率；

3022、最优长度求解：所述运算处理器根据公式

计算得出与第i个平板天线子阵相接且与当前扫描分区相对应的延迟线的长度，式中，ε_r为延迟线的相对介电常数，l_Q＝0即最后一个平板天线子阵不采用延迟线，其中i＝1、2、3...Q-1；

3023、重复步骤3021和3022，相应分别计算得出分别与各平板天线子阵(1)相接的P套延迟线的长度；

303、结果输出：输出步骤3022中计算得出的各平板天线子阵相接的P套延迟线的长度；

304、按照步骤303中所输出的各平板天线子阵相接的P套延迟线的长度对各延迟线进行布设。

上述移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征是：步骤201中建立间距优化数学模型时，所建立的间距优化数学模型为d_i＝d_min+y_i，且建立间距优化数学模型之前，首先利用随机向量生成方法生成一组实数x_i且x_i≥0，其中i＝1、2、3...Q-1，Q为平板天线子阵的数量；式中

其中η为比例系数且

相应地根据所建立的间距优化数学模型为d_i＝d_min+y_i即可推算得出子阵间距。

上述移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征是：所述随机向量生成方法为利用函数rand( )生成一组随机实数。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、所采用的多子阵平板天线阵结构简单、体积小高度低、重量轻、造价较低且使用效果好，天线的馈线系统至少包括移相器和延迟线。其中移相器用于调整各个子阵的移相值，实现多子阵天线的信号合成；延迟线用于提高天线的瞬时信号带宽。

2、安装布设方便，可方便安装于各种移动载体上。

3、优化方法设计合理，实现方便，主要针对多子阵平板天线阵的天线方向图特性变差与副瓣电平抬升和天线的瞬时信号带宽变小两大问题进行优化，通过采用优化算法对多子阵平板天线阵的子阵间距进行优化设计，以降低天线的副瓣电平，提高天线性能；同时通过在天线的馈线网络中加入多套延迟线，对天线的波束扫描范围进行分区，并相应采用切换波束技术提高天线的瞬时信号带宽。优化后的多子阵平板天线阵中的子阵间距不是一般的均匀间距，而是采用优化算法对多子阵平板天线阵的子阵间距进行优化设计。在进行间距优化时，通过对子阵间距的最小值进行设定，达到防止子阵间相互遮挡的实际问题，且在进行间距优化时，需考虑整个扫描范围内的天线方向图，综上，为改善天线的峰值旁瓣电平(PSLL)，采用优化算法对天线的子阵间距进行优化；为了防止子阵间的相互遮挡，必须对子阵间距的最小值进行设定；同时天线子阵的间距之和D影响多子阵平板天线阵的尺寸，因此进行子阵间距优化需在子阵间距之和D固定的情况下，即必需满足口径约束。

同时，为提高多子阵平板天线阵的瞬时信号带宽，需采用群延时相同的延迟器件，采用多套延迟线可明显提高天线的瞬时信号带宽。为此，将天线的扫描范围进行分区，在每一分区内采用一套延迟线，此称为切换波束技术。在分区方法上，可采用分区范围大小相同的原理进行；而延迟线的长度选取可按波束在扫描范围内的指向偏差平均值达到最小的原则进行选取，也可由优化算法进行设置。

4、优化效果好且实用价值高，采用本发明对平板天线的子阵间距进行优化后，天线的峰值旁瓣电平得到了有效降低，而天线方向图的改善也比采用辐相加权的方法要好得多；同时通过对延迟线长度进行优化，有效提高了天线的瞬时信号带宽，因而本发明能有效提高多子阵平板天线阵的天线性能。

5、适用范围广，推广应用前景广泛。

综上所述，本发明结构简单、重量轻、高度低、成本低且安装布设方便，所采用的优化方法设计合理且实现方便，能有效解决多子阵平板天线阵的天线方向图特性变差与副瓣电平抬升和天线的瞬时信号带宽变小两大实际问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明移动卫星通信多子阵平板天线阵的结构示意图。

图2为本发明移动卫星通信多子阵平板天线阵的工作原理图。

图3为采用本发明优化方法对天线子阵间距进行优化前后天线方向图的对比示意图。

图4为采用本发明优化方法对天线子阵间距进行优化前后天线副瓣电平的对比曲线示意图。

图5为采用本发明优化方法对移动卫星通信平板天线子阵的扫描范围进行分区时的空间区域示意图。

图6为本发明移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法的流程框图。

附图标记说明：

1-平板天线子阵；2-天线转台；2-1-转盘；

2-2-支架；      2-3-转轴；  3-馈线系统；

3-1-移相器；    3-2-延迟线；3-3-低噪声放大器；

3-4-功率合并器。

具体实施方式

如图1、图2所示的一种移动卫星通信多子阵平板天线阵，包括多个平板天线子阵1、供多个所述平板天线子阵1安装的天线转台和分别连接在各平板天线子阵1的辐射单元与信号收发端口之间的多个馈线系统3，多个所述平板天线子阵1平行安装在天线转台上且多个所述平板天线子阵1对准目标卫星的目标仰角均相同。所述馈线系统3包括与所述信号收发端口相接的移相器3-1以及接在平板天线子阵1的辐射单元与移相器3-1之间的多套延迟线3-2，所述平板天线子阵1的数量为Q个且相邻两个平板天线子阵1之间的间距为d_i，其中i＝1、2、3...Q-1，且d_i表示Q个平板天线子阵1中第i个平板天线子阵1与第i+1个平板天线子阵1之间的间距。所述延迟线3-2的套数与对平板天线子阵1的扫描范围进行均匀分区后的扫描分区个数相同。

本实施例中，所述天线转台包括支架2-2和通过转轴2-3安装在支架2-2上的转盘2-1，多个所述平板天线子阵1均安装在转盘2-1上。同时，Q个所述平板天线子阵1由左至右依次布设在转盘2-1上，且由左至右分别对Q个平板天线子阵1由1#、2#至Q#进行连续编号。

所述馈线系统3还包括低噪声放大器3-3和接在移相器3-1与所述信号接收端口之间的功率合并器3-4，所述低噪声放大器3-3接在平板天线子阵1的辐射单元与延迟线3-2之间。多个所述平板天线子阵1中所包含天线单元的数量相同，且所述平板天线子阵1中包含工作在不同频段上的多个天线单元。

所述移相器3-1与对其相移量进行控制调整的激励器相接，所述激励器与由主控制器进行控制的波束控制器相接，且所述波束控制器和所述激励器组成以电扫描方式对平板天线子阵1的俯仰方向进行控制的俯仰控制单元。另外，安装在平板天线子阵1上的方位轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的伺服电机相接，所述伺服控制器与主控制器相接且由主控制器进行控制，且所述伺服控制器为以机械扫描方式对平板天线子阵1的方位方向进行控制的方位控制单元。

实际使用过程中，所述平板天线子阵1的方位方向上是通过绕w1轴(即转轴2-3)转动转盘2-1来改变所述平板天线天线波束的方位指向，而所述平板天线天线波束的俯仰指向主要是通过将各平板天线子阵1绕w2轴的同步转动来实现的，其中α为对星仰角(即所述目标阳角)，表示卫星信号方向与转盘2-1的上表面之间的夹角，各平板天线子阵1应转动到天线波束指向与α角平行的位置。

如图6所示的一种移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，包括以下步骤：

步骤一、参数设置：通过与运算处理器相接的参数设置单元对所述运算控制器的初始控制参数d_min、D和p进行控制，其中d_min为相邻两个平板天线子阵1之间间距d_i的最小值，D为多个平板天线子阵1中相邻两个平板天线子阵1之间的间距d_i之和，p为平板天线子阵1的扫描范围进行均匀分区后的扫描分区个数且所述延迟线3-2的套数为p，平板天线子阵1的扫描范围为[α_A，α_B]；同时，还需对由多个平板天线子阵1所组成的平板天线阵的中心频率f₀进行设置；

步骤二、采用运算处理器进行天线子阵间距优化，其优化过程如下：

201、建立间距优化数学模型：所建立的间距优化数学模型为：

PSLL(α)＝f(d₁，d₂，…，d_Q-1，α)，且优化条件为

其中i＝1、2、3...Q-1并按空间顺序对Q个平板天线子阵1进行一一编号，Q为平板天线子阵1的数量；其中α∈[α_A，α_B]且α表示[α_A，α_B]内任一角度，PSLL(α)为各平板天线子阵1的目标仰角为α时所述平板天线阵的峰值旁瓣电平最小值。

由于多个所述平板天线子阵1的俯仰维上所包含天线单元的数量相同，每个平板天线子阵1的俯仰维上的所有天线单元均为均匀布设且多个所述平板天线子阵1的俯仰维上的相邻两个天线单元的间距均相同，则多个所述平板天线子阵1的天线方向图函数均相同且均为f_α(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)；相应地，所述平板天线阵的天线方向图函数F(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)＝E(θ)·f_α(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)；式中，E(θ)为平板天线子阵1在俯仰维上的方向图函数，且

其中，d_x为平板天线子阵1的俯仰维上的相邻两个天线单元之间的间距，N为平板天线子阵1的俯仰维上所包含天线单元的数量，k＝2π/λ＝2πc/f为来波信号的自由空间波数，c为光速，f为所述平板天线阵的通信频率，exp为指数函数，e(θ)为所述天线单元的方向图函数，n＝1、2、3...N；

当多个所述平板天线子阵1的俯仰角度可调时，安装在平板天线子阵1上的俯仰轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的俯仰电机相接，且所述俯仰电机与所述伺服控制器相接，所述伺服控制器与主控制器相接且由主控制器进行控制；所述俯仰轴为转轴2-3；此时，函数

式中d_i表示第i个平板天线子阵1与第i+1个平板天线子阵1的间距且d₀＝0，相应地d_i-1表示第i-1个平板天线子阵1与第i个平板天线子阵1的间距，c_q为第q个平板天线子阵1的幅度加权，θ为扫描角且0≤θ≤π，Φ_q(α)为第q个平板天线子阵1的馈电网络提供的移相量，且

q＝1、2、3...Q，k＝2π/λ＝2πc/f，α为平板天线子阵1的目标仰角；而当多个所述平板天线子阵1的俯仰角度均固定不变且各平板天线子阵1的俯仰角度均为β时，函数 $f_{\mathrm{\α}}(\mathrm{\θ},d_1,d_2,\·\·\·,d_{Q-1},\mathrm{\α})=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{c}_q\·\exp \left[j({\mathrm{\Φ}}_q\left(\mathrm{\α}\right)+k\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/2)\·\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{i-1})\right];$

所述平板天线阵的天线方向图中的峰值旁瓣电平可表示为函数

此时

式中C₀为修正常数，FF_max为主瓣峰值且FF_max＝max{|F(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)|}。

综上，当平板天线子阵1的俯仰角不可调时，采用纯相扫方式合成俯仰波束；而当平板天线子阵1的俯仰角可调时，采用的是机械扫描与相扫的方式来合成俯仰波束，其中机械扫描指用安装在平板天线子阵1上的俯仰电机对俯仰角度进行调整，相扫指采用移相网络(即移相器3-1和延迟线3-2)对俯仰角度进行调整。

由于单个平板天线子阵1在俯仰维上的天线方向图与直线阵的方向图是相同的，因而当平板天线子阵1在俯仰维的天线单元间距是均匀分布，且不考虑俯仰维上各天线单元各自的电环境差异时，其平板天线子阵1俯仰维上的方向图可表示为

式中θ为扫描角且其表示在平板天线子阵1的阵俯仰维上与子阵平面之间的夹角。所述平板天线阵的方向图由各平板天线子阵1的天线方向图合成得到，卫星信号在各平板天线子阵1之间所形成的空间相位差由馈电网络进行补偿。

当平板天线子阵1的俯仰角可调时，对各平板天线子阵1所接收的信号进行合成，假设各平板天线子阵1的天线方向图函数是相同的，则平板天线阵的方向图可表示为F(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)＝E(θ)·f_α(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)，上式中

Φ_q(α)为第q个平板天线子阵1后移相网络提供的移相值(由延迟线3-2和移相器3-1共同作用得到)，若不考虑移相器3-1的量化效应，则Φ_q(α)可表示成

当平板天线子阵1的俯仰角不可调时，且其俯仰角均为β时，若令β＝45°(此时β与目标仰角α相同)，而α_A≤α≤α_B为天线波束扫描范围。

另外，修正常数C₀与平板天线子阵1中具体的幅度加权c_q、平板天线子阵1的俯仰维上的天线单元间距和天线单元的数量相关，当c_q＝1(其中i＝1、2、3...Q)时通常可取C₀＝1.5。

202、峰值旁瓣电平最小值：采用运算处理器且根据步骤201中所建立的间距优化数学模型为PSLL(6)＝f(d₁，d₂，…，d_Q-1，α)，求出在

且各平板天线子阵1的目标仰角为α条件下，所述平板天线阵的峰值旁瓣电平和峰值旁瓣电平对应的相邻两个平板天线子阵1之间的间距d_i。

203、优化目标确定：所确定的优化目标函数为：

且所述优化目标函数表示以求出的[α_A，α_B]内最大的峰值旁瓣电平达到最小值为优化目标，此时的峰值旁瓣电平及对应的最优子阵间距根据步骤202中所述的峰值旁瓣电平及子阵间距求解方法进行求解。

204、数据输出：输出步骤203中在满足优化目标条件下，所求解出的最优天线子阵间距。

205、按照步骤204中所输出的最优天线子阵间距对多个所述平板天线子阵1进行布设。

步骤三、采用运算处理器进行延迟线长度优化，其优化过程如下：

301、分区：将所述平板天线阵的扫描范围即区间[α_A，α_B]均匀划分为p个扫描分区，并相应推算出各扫描分区内平板天线子阵1的目标仰角的上限值和下限值，所划分成的p个扫描分区分别与p套延迟线3-2一一对应；

302、延迟线最优长度求解：对p套延迟线3-2的最优长度分别进行求解，且对p套延迟线3-2的最优长度的求解方法均相同，当目标位置位于任一扫描分区时，则平板天线子阵1中的馈线系统3自动切换至与当前扫描分区相对应的一套延迟线3-2；对与当前扫描分区相对应的延迟线3-2的最优长度进行求解时，其求解过程如下：

3021、移相器3-1的相移量为零时所述平板天线阵的天线波束指向角度α₀求解：所述运算处理器根据公式

计算得出α₀，式中α_a和α_b分别为步骤301中所推算出的与当前所优化延迟线3-2相对应的扫描分区内平板天线子阵1的目标仰角的上限值和下限值，

其中Δf为所述平板天线阵的当前通信频率与中心频率f₀之间的频率偏差值，f₀为所述平板天线阵的中心频率；

3022、最优长度求解：所述运算处理器根据公式计算得出与第i个平板天线子阵1相接且与当前扫描分区相对应的延迟线3-2的长度，式中，ε_r为延迟线3-2的相对介电常数，l_Q＝0即最后一个平板天线子阵1不采用延迟线3-2，其中i＝1、2、3...Q-1；

3023、重复步骤3021和3022，相应分别计算得出分别与各平板天线子阵1相接的P套延迟线3-2的长度；

303、结果输出：输出步骤3022中计算得出的各平板天线子阵1相接的P套延迟线3-2的长度。

304、按照步骤303中所输出的各平板天线子阵1相接的P套延迟线3-2的长度对各延迟线3-2进行布设。

实际操作过程中，步骤201中建立间距优化数学模型时，所建立的间距优化数学模型为d_i＝d_min+y_i，且建立间距优化数学模型之前，首先利用随机向量生成方法生成一组实数x_i且x_i≥0，其中i＝1、2、3...Q-1，Q为平板天线子阵1的数量；式中

其中η为比例系数且

相应地根据所建立的间距优化数学模型为d_i＝d_min+y_i即可推算得出最优子阵间距。也就是说，本发明采用改进型的遗传算法对天线子阵间距进行优化，不仅实现方便，而且能有效解决现有简单的遗传算法很容易陷入局部最优的实际问题。同时，为解决上述数学模型中的约束条件的限制，防止在算法优化过程中产生不可行解，采用了一种子阵间距映射方式来进行变量的编码。具体而言：首先，随机生成一组实数x_i(i＝1，2，…Q-1)，然后通过映射得到子阵间距，即d_i＝d_min+y_i，不难证明，上述方法可以保证每个个体都满足了平板天线子阵1的数量Q，口径约束D，最小子阵间距约束d_min。向量[x₁，x₂，…，x_Q-1]作为个体参与遗传算法的变异、交叉等操作，而仅在进行适应度函数计算时才将实数x_i变换成子阵间距d_i，这样就将优化变量的约束与遗传操作进行隔离，不需任何遗传算子的改进，就可保证在所有的子代中不会出现不可行解。

本实施例中，所述随机向量生成方法为利用函数rand( )生成一组随机实数，具体是采用x＝rand(1，Q-1)生成一组随机实数，且rand(1，Q-1)生成的为1与Q-1的向量且满足1≥x_i≥0。

对于一个包括8个平板天线子阵1的平板天线，以子阵间距作为变量，通过上述改进的遗传算法对其进行优化调整，仿真条件为：最小子阵间距d_min＝69.1mm，子阵间距之和D＝60cm，天线扫描范围的上限和下限分别为α_A＝20°，α_B＝70°，优化前的子阵间距均相同即d_i＝85.7mm(i＝1，2，…，7)，优化后的子阵间距为：d₁到d₇分别为70.2mm、71.1mm、83.3mm、69.1mm、115.0mm、70.4mm和120.9mm。同时，通过仿真试验对该平板天线优化前后的天线方向图和副瓣电平进行比较，详见图3和图4，图3和图4中虚线表示优化前的天线方向图和副瓣电平，实线表示优化后的天线方向图和副瓣电平，通过对比可以看出，子阵间距优化对天线性能的提升效果是非常明显的。图4中横坐标为仰角，图3是一个当对星仰角α＝60°时的天线方向图，注意到天线的主瓣位于横坐标为60°处。

结合图5，将所述平板天线阵的扫描范围即区间[α_A，α_B]均分成p个扫描分区，且p个扫描分区依次为S₁、S₂...S_P，其中第p个扫描分区对应采用第p套延迟线3-2。当目标卫星位于S_p区域时，馈线系统自动切换使用第p套延迟线3-2以实现信号合成。其中，延迟线3-2的长度可按天线波束在各扫描分区内的指向偏差平均值达到最小的原则进行选取。

实际使用过程中在所述平板天线阵的扫描范围内，若仅采用一套延迟线3-2则可以提高天线的瞬时信号带宽，并相应降低由信号频率变化引起的波束指向偏差对瞬时信号带宽的限制。而采用切换波束技术，采用由p套延迟线3-2组成的延迟线组时，由信号频率变化引起的波束指向偏差对瞬时信号带宽的限制将进一步减小。

以一个包括4个平板天线子阵1的平板天线为例，如果定义所述平板天线允许的最大波束偏差角为波束半功率点宽度的1/10，则加四套延时线3-2后，相比于单套延迟线技术，由信号频率变化引起的波束指向偏差对瞬时信号带宽的限制大大减小，多子阵平板天线阵允许的最大瞬时信号带宽由0.14GHz提高到0.8GHz。

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，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于：包括多个平板天线子阵(1)、供多个所述平板天线子阵(1)安装的天线转台和分别连接在各平板天线子阵(1)的辐射单元与信号收发端口之间的多个馈线系统(3)，多个所述平板天线子阵(1)平行安装在天线转台上且多个所述平板天线子阵(1)对准目标卫星的目标仰角均相同；所述馈线系统(3)包括与所述信号收发端口相接的移相器(3-1)以及接在平板天线子阵(1)的辐射单元与移相器(3-1)之间的多套延迟线(3-2)，所述平板天线子阵(1)的数量为Q个且相邻两个平板天线子阵(1)之间的间距为d_i，其中i＝1、2、3...Q-1，且d_i表示Q个平板天线子阵(1)中第i个平板天线子阵(1)与第i+1个平板天线子阵(1)之间的间距；所述延迟线(3-2)的套数与对平板天线子阵(1)的扫描范围进行均匀分区后的扫描分区个数相同。

2.按照权利要求1所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于：所述天线转台包括支架(2-2)和通过转轴(2-3)安装在支架(2-2)上的转盘(2-1)，多个所述平板天线子阵(1)均安装在转盘(2-1)上。

3.按照权利要求1或2所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于：所述馈线系统(3)还包括低噪声放大器(3-3)和接在移相器(3-1)与所述信号接收端口之间的功率合并器(3-4)，所述低噪声放大器(3-3)接在平板天线子阵(1)的辐射单元与延迟线(3-2)之间。

4.按照权利要求1或2所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于：所述平板天线子阵(1)中包含工作在不同频段上的多个天线单元。

5.按照权利要求1或2所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于：所述移相器(3-1)与对其相移量进行控制调整的激励器相接，所述激励器与由主控制器进行控制的波束控制器相接，且所述波束控制器和所述激励器组成以电扫描方式对平板天线子阵(1)的俯仰方向进行控制的俯仰控制单元。

6.按照权利要求1或2所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵，其特征在于：安装在平板天线子阵(1)上的方位轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的方位电机相接，所述伺服控制器与主控制器相接且由主控制器进行控制，所述方位电机与所述伺服控制器相接，且所述伺服控制器为以机械扫描方式对平板天线子阵(1)的方位方向进行控制的方位控制单元。

7.一种对如权利要求1所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵进行优化的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、参数设置：通过与运算处理器相接的参数设置单元对所述运算控制器的初始控制参数d_min、D和p进行控制，其中d_min为相邻两个平板天线子阵(1)之间间距d_i的最小值，D为多个平板天线子阵(1)中相邻两个平板天线子阵(1)之间的间距d_i之和，p为平板天线子阵(1)的扫描范围进行均匀分区后的扫描分区个数且所述延迟线(3-2)的套数为p，平板天线子阵(1)的扫描范围为[α_A，α_B]；同时，还需对由多个平板天线子阵(1)所组成的平板天线阵的中心频率f₀进行设置；

步骤二、采用运算处理器进行天线子阵间距优化，其优化过程如下：

201、建立间距优化数学模型：所建立的间距优化数学模型为：

PSLL(α)＝f(d₁，d₂，…，d_Q-1，α)，且优化条件为

其中i＝1、2、3...Q-1并按空间顺序对Q个平板天线子阵(1)进行一一编号，Q为平板天线子阵(1)的数量；其中α∈[α_A，α_B]且α表示[α_A，α_B]内任一角度，PSLL(α)为各平板天线子阵(1)的目标仰角为α时所述平板天线阵的峰值旁瓣电平；

由于多个所述平板天线子阵(1)的俯仰维上所包含天线单元的数量相同，每个平板天线子阵(1)的俯仰维上的所有天线单元均为均匀布设且多个所述平板天线子阵(1)的俯仰维上的相邻两个天线单元的间距均相同，则多个所述平板天线子阵(1)的天线方向图函数均相同且均为f_α(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)；相应地，所述平板天线阵的天线方向图函数F(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)＝E(θ)·f_α(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)；式中，E(θ)为平板天线子阵(1)在俯仰维上的方向图函数，且

其中，d_x为平板天线子阵(1)的俯仰维上的相邻两个天线单元之间的间距，N为平板天线子阵(1)的俯仰维上所包含天线单元的数量，k＝2π/λ＝2πc/f为来波信号的自由空间波数，c为光速，f为所述平板天线阵的通信频率，exp为指数函数，e(θ)为所述天线单元的方向图函数，n＝1、2、3...N；

当多个所述平板天线子阵(1)的俯仰角度可调时，安装在平板天线子阵(1)上的俯仰轴通过传动机构与由伺服控制器进行控制的俯仰电机相接，且所述俯仰电机与所述伺服控制器相接，所述伺服控制器与主控制器相接且由主控制器进行控制；所述俯仰轴为转轴(2-3)；此时，函数

式中d_i表示第i个平板天线子阵(1)与第i+1个平板天线子阵(1)的间距且d₀＝0，相应地d_i-1表示第i-1个平板天线子阵(1)与第i个平板天线子阵(1)的间距，c_q为第q个平板天线子阵(1)的幅度加权，θ为扫描角且0≤θ≤π，Φ_q(α)为第q个平板天线子阵(1)的馈电网络提供的移相量，且

q＝1、2、3...Q，k＝2π/λ＝2πc/f，α为平板天线子阵(1)的目标仰角；而当多个所述平板天线子阵(1)的俯仰角度均固定不变且各平板天线子阵(1)的俯仰角度均为β时，函数 $f_{\mathrm{\α}}(\mathrm{\θ},d_1,d_2,\·\·\·,d_{Q-1},\mathrm{\α})=\underset{q=1}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{c}_q\·\exp \left[j({\mathrm{\Φ}}_q\left(\mathrm{\α}\right)+k\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/2)\·\underset{i=1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{d}_{i-1})\right];$

所述平板天线阵的天线方向图中的峰值旁瓣电平可表示为函数 $f(d_1,d_2,\·\·\·,d_{Q-1},\mathrm{\α})=\max \left\{\right|\frac{F(\mathrm{\θ},d_1,d_2,\·\·\·,d_{Q-1},\mathrm{\α})}{{\mathrm{FF}}_{\max }}\left|\right\},$ 此时 $\left|\cos \mathrm{\θ}\right|\≥\frac{C_0\mathrm{\λ}}{D\cos \mathrm{\α}},$ 式中C₀为修正常数，FF_max为主瓣峰值且FF_max＝max{|F(θ，d₁，d₂，…，d_Q-1，α)|}；202、峰值旁瓣电平求解：采用运算处理器且根据步骤201中所建立的间距优化数学模型为PSLL(α)＝f(d₁，d₂，…，d_Q-1，α)，求出在且各平板天线子阵(1)的目标仰角为α条件下，所述平板天线阵的峰值旁瓣电平和峰值旁瓣电平对应的相邻两个平板天线子阵(1)之间的间距d_i；

203、优化目标确定：所确定的优化目标函数为：

且所述优化目标函数表示以求出的[α_A，α_B]内最大的峰值旁瓣电平达到最小值为优化目标，此时的峰值旁瓣电平及对应的最优子阵间距根据步骤202中所述的峰值旁瓣电平及子阵间距求解方法进行求解；

204、数据输出：输出步骤203中在满足优化目标条件下，所求解出的最优天线子阵间距；

205、按照步骤204中所输出的最优天线子阵间距对多个所述平板天线子阵(1)进行布设；

步骤三、采用运算处理器进行延迟线长度优化，其优化过程如下：

301、分区：将所述平板天线阵的扫描范围即区间[α_A，α_B]均匀划分为p个扫描分区，并相应推算出各扫描分区内平板天线子阵(1)的目标仰角的上限值和下限值，所划分成的p个扫描分区分别与p套延迟线(3-2)一一对应；

302、延迟线最优长度求解：对p套延迟线(3-2)的最优长度分别进行求解，且对p套延迟线(3-2)的最优长度的求解方法均相同，当目标位置位于任一扫描分区时，则平板天线子阵(1)中的馈线系统(3)自动切换至与当前扫描分区相对应的一套延迟线(3-2)；对与当前扫描分区相对应的延迟线(3-2)的最优长度进行求解时，其求解过程如下：

3021、移相器(3-1)的相移量为零时所述平板天线阵的天线波束指向角度α₀求解：所述运算处理器根据公式

计算得出α₀，式中α_a和α_b分别为步骤301中所推算出的与当前所优化延迟线(3-2)相对应的扫描分区内平板天线子阵(1)的目标仰角的上限值和下限值，其中Δf为所述平板天线阵的当前通信频率与中心频率f₀之间的频率偏差值，f₀为所述平板天线阵的中心频率；

3022、最优长度求解：所述运算处理器根据公式

计算得出与第i个平板天线子阵(1)相接且与当前扫描分区相对应的延迟线(3-2)的长度，式中，ε_r为延迟线(3-2)的相对介电常数，l_Q＝0即最后一个平板天线子阵(1)不采用延迟线(3-2)，其中i＝1、2、3...Q-1；

3023、重复步骤3021和3022，相应分别计算得出分别与各平板天线子阵(1)相接的P套延迟线(3-2)的长度；

303、结果输出：输出步骤3022中计算得出的各平板天线子阵(1)相接的P套延迟线(3-2)的长度；

304、按照步骤303中所输出的各平板天线子阵(1)相接的P套延迟线(3-2)的长度对各延迟线(3-2)进行布设。

8.按照权利要求7所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征在于：步骤201中建立间距优化数学模型时，所建立的间距优化数学模型为d_i＝d_min+y_i，且建立间距优化数学模型之前，首先利用随机向量生成方法生成一组实数x_i且x_i≥0，其中i＝1、2、3...Q-1，Q为平板天线子阵(1)的数量；式中其中η为比例系数且

相应地根据所建立的间距优化数学模型为d_i＝d_min+y_i即可推算得出子阵间距。

9.按照权利要求8所述的移动卫星通信多子阵平板天线阵优化方法，其特征在于：所述随机向量生成方法为利用函数rand( )生成一组随机实数。

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