CN103579759A - 一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法。该方法包括：先确定在一个特定方向(φ,θ)上没有信号传输，φ是球坐标中的方位角，θ是球坐标中的天顶角；计算生成一个来自(φ,θ)方向上的虚拟的信号；计算每个天线单元得到的信号；根据功率倒置调零算法，计算得到阵列天线每个天线单元的权值 w ；将阵列天线每个天线单元的信号分别乘上每个天线单元的权值；将步骤E中每个天线单元的信号与每个天线单元的权值相乘后的信号相加。本发明克服了传统阵列天线难以实现宽波束的弊端，引入虚拟信号和高斯噪声的调零方法使阵列天线的波束达到全向性；实现的天线波束宽度接近阵列天线单个天线单元的波束宽度，但是增益高于单个天线单元。

Description

一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法

技术领域

本发明涉及无线通信系统的阵列天线，具体涉及一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法。

背景技术

由多个天线单元组成的阵列天线有许多优点，首先，阵列天线可以实现高增益、高指向性波束，并且可以通过调整各个天线阵元激励信号的幅度与相位差来改变波束的指向。阵列天线的这个特性使它被广泛地用于各种领域，如3G和4G移动通讯网络，卫星通讯以及雷达等。其次，阵列天线可以控制天线方向图的零点来消除强干扰信号，即所谓的调零天线，该技术被应用于卫星通信领域以提高接收机的抗干扰能力。

在卫星定位领域，接收机天线需要有全向性特点来接收各个方位的卫星信号，从而提高定位精度，而用传统方法很难拓宽阵列天线的波束宽度使其达到全向性。

发明内容

为了满足在卫星定位等邻域需要全向性天线的需求，本发明实现了一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法，采用引入虚拟信号和高斯噪声的调零方法，使阵列天线的零点指向没有卫星的方向，在其他方向实现全向性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

步骤A、先确定在一个特定方向

上没有信号传输，

是球坐标中的方位角，θ是球坐标中的天顶角；

步骤B、计算生成一个来自

方向上的虚拟的信号；

步骤C、计算每个天线单元得到的信号；

步骤D、根据功率倒置调零算法，计算得到阵列天线每个天线单元的权值w=[w₀,w₁,…w_i,…,w_L-1]^T，w_i表示第i个天线单元的权值，T表示矩阵的转置运算，L表示阵列天线单元数目；

步骤E、将阵列天线每个天线单元的信号分别乘上每个天线单元的权值；

步骤F、将步骤E中每个天线单元的信号与每个天线单元的权值相乘后的信号相加。

步骤B所述虚拟的信号，表示为：S(n)=I×exp(2πjn/N)，其中exp()表示自然对数e为底指数函数，I表示信号的强度，N表示干扰信号的采样点数，n是大于等于0且小于N的整数，j是虚数单位。

步骤C所述的计算每个天线单元得到的信号的过程为：

31）根据阵列天线的排布，计算得到该阵列天线的导向矢量A；

32）对阵列天线的每个天线单元各自生成一组高斯白噪声信号m=[m₀,m₁,…m_i,…,m_L-1]^T，m_i表示第i组高斯白噪声信号；

33）每个天线单元得到的信号就表示为x=A×S(n)+m，其中x=[x₀,x₁,…x_i,…,x_L-1]^T，x_i表示第i个天线单元得到的信号。

步骤D所述功率倒置调零算法根据公式：

$w=R_{\mathrm{xx}}^{-1}{R}_{\mathrm{xs}}$

计算得到阵列天线每个天线单元的权值，其中

H表示共轭转置运算，*表示共轭运算。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明克服了传统阵列天线难以实现宽波束的弊端，引入虚拟信号和高斯噪声的调零方法使阵列天线的波束达到全向性。

2、本发明实现的天线波束宽度接近阵列天线单个天线单元的波束宽度，但是增益高于单个天线单元。

附图说明

图1是本发明的实现阵列天线波束全向覆盖的方法的流程图。

图2是本发明中以五单元线阵为实例的阵列天线排布示意图。

图3是本发明中以五单元线阵为实例的阵列天线结构示意图。

图4是本发明中以五单元线阵为实例的阵列天线实现的方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，是本发明所述实现阵列天线波束全向覆盖的方法的流程图，以五个线性排列的偶极子天线为例，所述方法包括步骤：

步骤S1：先确定在一个特定方向

上没有信号传输，是球坐标中的方位角，θ是球坐标中的天顶角；这里考虑三种不同的情况，即当

θ分别等于0°、40°和80°的情况。

步骤S2：计算生成一个虚拟的信号，该信号表示为：S(n)=I×exp(2πjn/N)，其中exp()表示自然对数e为底指数函数，I表示信号的强度，N表示干扰信号的采样点数，n是大于等于0且小于N的整数，j是虚数单位；虚拟信号需是一个强的信号，这里令信号强度I=10，采样点数N=100，于是该虚拟信号S(n)=10×exp(2πjn/100)。

步骤S3：根据阵列天线的排布，如图2所示，图中天线单元之间的距离d为天线工作频率波长的一半，根据天线的这种排列，计算得到该阵列天线对应

方向上的导向矢量A，本实例中考虑当

θ分别等于0°、40°和80°的情况；当θ=0°时，A=[1,exp(-πj×sinθ),exp(-2πj×sinθ),exp(-3πj×sinθ),exp(-4πj×sinθ)]^T=[1,1,1,1,1]^T；当θ=40°时，A=[1,exp(-πj×sin40°),exp(-2πj×sin40°),exp(-3πj×sin40°),exp(-4πj×sin40°)]^T；当θ=80°时，A=[1,exp(-πj×sin80°),exp(-2πj×sin80°),exp(-3πj×sin80°),exp(-4πj×sin80°)]^T；同时，对阵列天线的每个单元各自生成一组高斯白噪声信号，所有噪声信号用矢量m=[m₀,m₁,m₂,m₃,m₄]^T表示，然后，每个天线单元得到的信号就可以表示为x=A×S(n)+m，其中x=[x₀,x₁,x₂,x₃,x₄]^T，T表示矩阵的转置运算；

步骤S4：已经得到阵列天线每个单元得到的信号x，根据在抗干扰接收机中常用的功率倒置调零算法：

$w=R_{\mathrm{xx}}^{-1}{R}_{\mathrm{xs}}---\left(1\right)$

计算得到阵列天线各个单元的权值，其中

H表示共轭转置运算，*表示共轭运算；根据公式（1），得到实例中三种情况的权值w分别为[1,-0.392+j0.033,-0.314+j0.025,-0.243-j0.109,-0.049+j0.061]^T,[1,0.122+j0.283,0.196-j0.206,-0.191+j0.022,0.036+j0.223]^T和[1,0.306+j0.006,-0.275-j0.032,0.222+j0.091,-0.181+j0.026]^T。

步骤S5：如图3中乘法运算2所示，将阵列天线各个单元的信号分别乘上各个单元的权值；

步骤S6：如图3中累加运算3所示，将步骤S5中各个单元的信号与各个单元的权值相乘后的信号相加，此时，上述三种情况下得到的阵列天线如图4所示，图4中，原始方向图为没有经过本所述方法的阵列天线方向图，原始方向图只覆盖其主瓣方向；另外三个经过本发明所述方法处理的方向图，对应虚拟信号分别在θ等于0°、40°和80°三种不同的情况，当虚拟信号方向为0°时，即θ=0°，可以看到方向图覆盖了除了虚拟信号的方向外的所有方向，当θ等于40°和80°时，天线方向图也覆盖了除了虚拟信号的方向外的所有方向；而且，由于虚拟信号对应的方向是确定没有信号传输的，故通过本发明所述方法，阵列天线实现了波束的全向覆盖。

Claims (4)

1.一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

步骤A、先确定在一个特定方向

上没有信号传输，

是球坐标中的方位角，θ是球坐标中的天顶角；

步骤B、计算生成一个来自

方向上的虚拟的信号；

步骤C、计算每个天线单元得到的信号；

步骤D、根据功率倒置调零算法，计算得到阵列天线每个天线单元的权值w=[w₀,w₁,…w_i,…,w_L-1]^T，w_i表示第i个天线单元的权值，T表示矩阵的转置运算，L表示阵列天线单元数目；

步骤E、将阵列天线每个天线单元的信号分别乘上每个天线单元的权值；

步骤F、将步骤E中每个天线单元的信号与每个天线单元的权值相乘后的信号相加。

2.根据权利要求1所述的一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法，其特征在于：步骤B所述虚拟的信号，表示为：S(n)=I×exp(2πjn/N)，其中exp()表示自然对数e为底指数函数，I表示信号的强度，N表示干扰信号的采样点数，n是大于等于0且小于N的整数，j是虚数单位。

3.根据权利要求1所述的一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法，其特征在于：步骤C所述的计算每个天线单元得到的信号的过程为：

31）根据阵列天线的排布，计算得到该阵列天线的导向矢量A；

32）对阵列天线的每个天线单元各自生成一组高斯白噪声信号m=[m₀,m₁,…m_i,…,m_L-1]^T，m_i表示第i组高斯白噪声信号；

33）每个天线单元得到的信号就表示为x=A×S(n)+m，其中x=[x₀,x₁,…x_i,…,x_L-1]^T，x_i表示第i个天线单元得到的信号。

4.根据权利要求1所述的一种实现阵列天线波束全向覆盖的方法，其特征在于：步骤D所述功率倒置调零算法根据公式：

$w=R_{\mathrm{xx}}^{-1}{R}_{\mathrm{xs}}$

计算得到阵列天线每个天线单元的权值，其中H表示共轭转置运算，*表示共轭运算。

Images