CN102110883A

CN102110883A - 一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法

Info

Publication number: CN102110883A
Application number: CN2010105755283A
Authority: CN
Inventors: 杨文丽; 张群; 蔡木仁; 吴春邦; 刘波
Original assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Current assignee: Xian Institute of Space Radio Technology
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CN102110883B

Abstract

一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法，(1)根据目标波束的需求，将目标波束形状分为固定波束及可动波束；(2)根据固定波束及可动波束的数目将阵列所有阵元划分为n个子阵；(3)在整个阵列环境下，通过优化子阵布局、子阵中各单元幅相得到子阵需要实现的增益方向图；(4)在整个阵列环境下计算出各子阵的相位方向图，即相位随俯仰角θ、方位角φ变化的函数；并将各子阵的相位方向图归一，即使各个子阵在可动波束指向角同相；(5)根据目标波束的增益值及步骤(3)中得到的各个子阵的增益值确定各子阵的权值，利用所述的权值将上述所有子阵的增益方向图进行线性综合，调整各子阵的权值达到所要求的赋形效果。

Description

一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法

技术领域

本发明属于微波通信领域，涉及一种赋形可变波束阵列天线，特别是一种简单实用的赋形可变波束阵列天线。

背景技术

某型号任务要求天线的波束覆盖示意图如图1所示，图中中心阴影区域为一锐波束并且在蓝色区域可动，斜线区域为一固定赋形波束，在一定波束范围有赋形效果；并且红色区域的增益高于蓝色区域的增益。图2为理想的波束切面曲线图，形成一种带肩膀形的波束，波束肩膀处基本不变，而肩膀上方波束需要可动。

同反射面天线相比，阵列天线组阵和馈电方式多样，波束控制灵活，因此得到了广泛应用和迅速发展。目前，在许多应用中需要阵列天线方向图形成指定波束以达到所需要求，即阵列赋形天线。因此阵列天线可以设计成一个固定的赋形波束，通过各种算法或软件对阵列布局以及阵中各单元的幅度、相位进行优化，能够得到一个较优的赋形效果。

同时，阵列天线可以通过控制单元相位的方式实现波束的扫描，这里指固定赋形波束的扫描，即波束形状不变，而只是指向角在改变，这种波束扫描方式在国内外已经是一种比较成熟的技术，在近地观测、深空探测等领域均有成功的应用。

综上所述，传统阵列天线可以形成一个固定不动的赋形波束，或者形成一个固定波束的扫描，难以实现型号任务所要求的赋形可变波束。

发明内容

本发明的技术解决问题是：突破传统阵列天线实现固定赋形波束或扫描波束的功能局限，设计了一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法，即实现固定赋形波束兼可动波束。具有新颖性，适用范围广泛，工程实现简单等优点。

本发明的技术解决方案是：一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法，步骤如下：

(1)根据目标波束的需求，将目标波束形状分为固定波束及可动波束；

(2)根据固定波束及可动波束的数目将阵列所有阵元划分为n个子阵，n为可动波束的数目+固定波束的数目；

(3)在整个阵列环境下优化子阵布局、子阵中各单元幅相得到子阵需要实现的增益方向图，即增益随俯仰角θ、方位角

变化的函数；增益方向图由目标波束分解得到；

(4)在整个阵列环境下计算出各子阵的相位方向图，即相位随俯仰角θ、方位角

变化的函数；并将各子阵的相位方向图归一，即使各个子阵的在可动波束指向角同相；

(5)根据目标波束的增益值及步骤(3)中得到的各个子阵的增益值确定各子阵的权值，利用所述的权值将上述所有子阵的增益方向图进行线性综合，调整各子阵的权值达到所要求的赋形效果。

所述步骤(4)中子阵中的可动波束在目标波束所要求的波束范围内场的相位恒定。

本发明的原理是：由于目标波束包含固定波束及可动波束，仅通过固定的幅相配置以及相控扫描不能满足波束要求；因此，根据波束方向图先分解，然后进行方向图综合的思想，将目标波束形状分为固定波束及可动波束，然后根据固定波束及可动波束的数目将阵列所有阵元划分为n个子阵；在整个阵列环境下通过优化子阵布局、子阵中各单元幅相得到子阵需要实现的方向图，这是方向图的分解步骤；同时计算出各子阵的相位方向图，并将各子阵的相位方向图归一，即将其中某个子阵的相位方向图(波束覆盖区域)设为标准，通过调整其余子阵中单元的馈电相位，使得在某个指向角(扫描波束指向角)所有子阵相位一致，这样子阵之间可以采用最佳的合并方式进行接收或发射，最后综合所有子阵的方向图，调整各子阵的权值达到所要求的赋形效果，这是方向图的综合步骤。

本发明与现有技术相比有益效果为：突破传统阵列天线实现固定赋形波束或扫描波束的功能局限，提出一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法。详细的说明如下：将传统阵列天线的赋形功能与扫描功能结合，根据目标波束将阵列划分成不同的子阵，在整个阵列环境中优化各子阵的幅相配置，使得子阵基本满足各子波束的方向图要求；计算子阵的相位方向图，将子阵方向图归一，即使得子阵间的方向图在可动波束指向角保证同相叠加，使阵列的辐射效率最优化；最后将子阵的方向图综合得到满足目标波束要求的方向图。实现固定赋形波束兼可动波束。具有新颖性，适用范围广泛，工程实现简单等优点。

附图说明

图1为本发明的波束覆盖区示意图；

图2为本发明的波束理想切面曲线示意图；

图3为本发明实施例中的阵面单元布局示意图；

图4为本发明可动波束指向θ＝8°时的波束切面曲线示意图；

图5为本发明可动波束指向θ＝10°时的波束切面曲线示意图；

图6为本发明流程图；

图7为本发明一号子阵优化幅相后得到的增益方向图；

图8为本发明二号子阵优化幅相后得到的增益方向图。

具体实施方式

下面结合具体实施例详细介绍本发明的实现过程。如附图3所示，本发明设计了一个由51个单元组成的赋形可变波束阵列天线，目标波束如图1、2所示，方向图可分解为一个固定赋形波束和一个可动波束。因此，实施例中将阵面单元划分成两个子阵，对两个子阵进行幅相优化，最后进行子阵方向图综合。

设计步骤如图6所示：

1)将目标波束分为固定波束及可动波束，然后根据固定波束及可动波束的总数目将阵列中所有阵元划分为n个子阵；一般情况下，令固定波束的数目为1，因此n为可动波束的数目+1；

如附图3所示为一赋形可变波束阵列天线实施例，有51个天线单元组成，分布在5个同心圆上，由内到外分别为1～5圈。由于天线阵面不仅要实现波束赋形的要求，还要实现局部区域波束可动。因此，本例中将目标波束分为一个赋形固定波束及一个扫描波束；在设计时将阵面划分为两个子阵。实现固定赋形波束的子阵标记为一号子阵；实现可动波束的子阵标记为二号子阵。一号子阵阵中单元相位不变，保证固定赋形波束的增益值；二号子阵阵中单元相位随扫描角的变化而变化，实现扫描功能。

2)在整个阵列环境下通过优化子阵布局、子阵中各单元幅相得到子阵需要实现的增益方向图；优化过程可以采用传统的遗传算法等进行。

在整个阵列环境下对一号子阵进行优化，实现固定赋形波束；增益方向图为

是一个马鞍形波束。

一号子阵如图2所示，工作在L波段，天线阵单元数为15个，共三圈，等间隔分布在三个同心圆上，第一圈1个元，第二圈6个元，第三圈8个元；各圈的分布半径不等，设为优化变量；要求增益方向图形状为一马鞍形波束；

优化的主要操作及实现：

a)基本操作：遗传算法的基本操作包括选择、交叉和变异，在这之前还需要通过编码做一个解空间到染色体空间的变化以便群体的演化。

●编码方案：进行天线阵综合时，每个染色体代表一个具体的天线阵型式，染色体的每个基因代表每个单元的激励系数(幅度或相位)。

激励系数是实数，编码时，染色体的每一个基因用十进制数表示，交叉和变异算子也要设计相应的十进制形式的操作。

●选择算子：使用了期望值算法。首先计算群体中每个个体在下一代中的期望数目M，然后若某个个体被选中并要参与配对和交叉，则它在下一代中生存的期望数减去0.5；若不参与配对和交叉，则该个体的生存期望减去1。最后，若一个个体的期望数小于零时，则该个体不参与选择。

●交叉算子：对于两个父代在同一交叉点位置上的基因，设交叉前的值为p1和p2，则交叉后的值的子代为：

c1＝(2p1+p2)/3，c2＝(p1+2p2)/3，这样，当p1和p2相等或接近时，c1和c2等于或接近p1和p2；当p1和p2不同时，则产生了新的基因，达到了全局搜索的目的，这是子代遗传父代优良特性的重要方法。

●变异算子：某一位置上的基因根据变异概率决定是否变异。需要变异时只需简单的把它变到允许范围内的任意一个随机值。

b)适应度函数设计：适应度函数表示天线型式所产生的方向图与目标方向图的差异大小。首先计算出每个染色体的方向图与规定的理想方向图的误差，再对这个误差作变换得到适应度。在计算误差时，采用了最大误差的形式，即计算实际天线阵方向图与规定方向图在各个取样点之间的误差，然后找到误差的最大值，优化的目的就是使最大误差减小到最小，这样实际的方向图就最接近规定方向图。

c)优化过程

由于固定赋形波束是一个中心对称的马鞍形波束，而子阵是圆形阵，因此为了保证波束的对称性，设定约束条件：分布在一个同心圆上的单元幅值相等，这样就降低了优化过程的复杂度；

对各圈单元在±0.05的范围内进行局部搜索。每个个体由15个基因组成，初始群体中每个基因为一-0.05到+0.05之间的随机数，表示电流幅度的变化值。每个个体所表示的天线阵的单元电流幅度为初始单元电流幅度加上对应位置基因值。

再对每个单元电流的相位进行局部搜索，搜索范围在±10°之间，因此生成初始个体基因群体时，是-10到+10之间的随机数，表示电流相位的变化值。优化过程中单元相位的实际值为相应的个体基因值加上初始相位值。种群大小为50，个体基因长度为15，交叉概率为0.3，变异概率为0.006，优化代数为1000.对每个个体的适应度函数，先计算出方向图，为了保持主瓣波形，在主瓣区域每隔1°采一次样，计算实际波形与规定波形的差值，求出主瓣的最大误差em，则该个体的适应度函数为：

如果适应度满足，则停止优化；如果不满足，则基因变异，循环至适应度满足即可。e_r代表优化过程中的结果与目标之间的最大误差值。

d)子阵一优化后的方向图如图7所示。

在整个阵列环境下对二号子阵进行优化，实现能够覆盖增强区域的锐波束，优化步骤如子阵一，优化结果如图8所示；根据公式1通过改变各单元的馈电相位使增强波束可动。增益方向图为

(公式1)

公式1中给出二号子阵中各单元馈入相位

(单位为°)与单元位置(x_i，y_i)以及波束指向角(θ、φ)之间的关系。

3)在整个阵列环境下计算出各子阵的相位方向图，并将各子阵的相位方向图归一；相当于对两个子阵的各单元馈电相位的一个约束条件，目的是使阵列的辐射效率最优化。

利用ansoft公司的H FSS软件建立模型计算，将优化后的单元幅相带入后处理计算出一号子阵的相位方向图

计算出二号子阵的相位方向图

设一号子阵的相位方向图为参考，为使得在可动波束指向角两个子阵相位一致，令二号子阵的馈电相位(θ₀，

为可动波束指向角。)

对二号子阵的馈电相位按上述公式处理后可以使得两个子阵在可动波束指向角相位一致，使子阵之间以较好的合并方式进行接收或发射；

这里值得说明的是，为了得到较好的赋形可变波束，要求可动波束在所要求的波束范围(本例中为θ＝±10°，

)内场的相位恒定，即无论可动波束指向哪个角度，在关心的波束范围内相位无突变，从而保证不会在某些指向角度区域，可动波束与固定赋形波束反相抵消。

4)综合两个子阵方向图，相当于对两个子阵的各单元馈电幅度有一个约束条件，目的是通过调整各子阵的权值达到所要求的赋形效果。

由于前面两个子阵的相位方向图在可动波束指向角已经归一，即两个子阵在波束指向角是同相的，因此两个子阵的综合方向图为

(A、B分别为一号子阵和二号子阵的幅度加权系数，这里A和B是两个列矩阵，即在可动波束指向角不同时，A和B将作以调整)，调整A和B可以使阵面获得满足要求的方向图。

具体计算步骤如下：图2为目标波束的方向图，可以看出固定波束和可动波束有一个电平差，这个电平差值设为10d B，而如图7所示一号子阵的增益值约为15d B，如图8所示二号子阵的增益值约为14d B；如果直接叠加则电平差值为14d B；为了使电平差值为10dB，则将二号子阵的权值要赋小一些。目标波束要求在θ＝10°，

时，增益值

通过公式

可以算出许多解，因此A和B是两个列矩阵，然后根据发射端有源部件的限制条件从中选取了一组值，A＝1，B＝0.6。

通过仿真，得到的典型方向图如图4、图5所示，满足型号任务的指标要求。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法，其特征在于步骤如下：

(3)在整个阵列环境下，通过优化子阵布局、子阵中各单元幅相得到子阵需要实现的增益方向图，即增益随俯仰角θ、方位角变化的函数；

变化的函数；并将各子阵的相位方向图归一，即使各个子阵在可动波束指向角同相；

2.根据权利要求1所述的一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法，其特征在于：所述步骤(4)中子阵中的可动波束在目标波束所要求的波束范围内场的相位恒定。