CN108767479A - 一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，包括步骤(1)初始化天线主瓣波束端点值；(2)计算天线增益，判断天线增益是否等于给定最小主瓣增益，是则由端点值构成的主瓣波束为天线最宽波束，否则进入步骤(3)；(3)在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小；(4)重复步骤(2)，直至天线增益等于给定最小主瓣增益。通过不断在现有天线主瓣波束端点值基础上，利用凸优化方法进一步调节端点值大小，迭代求解满足给定阵列天线最小主瓣增益的最宽主瓣波束，可避免通过暴力搜索所有可能阵元权系数组合来获得最优解，大大减小了计算负担。

Description

一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法

技术领域

本发明涉及天线宽波束设计领域，尤其是一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法。

背景技术

卫星多媒体信号的长距离传输造成了信号的大尺度衰落，使得到达地面接收天线的信号强度极其微弱。以L波段地球同步轨道卫星ASIASTAR为例，其到达地面的信号强度大约为-110dB,相应的信噪比约为-4dB,为了获得较好的接收效果，通常要求接收增益在4dBi以上。利用车载天线对卫星多媒体信号进行动态接收时，考虑汽车的随机移动特性，以及可能分布的纬度地区不同的情形，要求车载接收天线的波束在满足特定功率增益的前提下尽量的宽。考虑汽车的移动特性，要求天线在整个360度方位向都能正常工作。一方面，更宽的波束可以减少天线的扫描频率，提高接收系统的工作能力；另一方面，俯仰向更宽的波束可以使移动接收天线工作在更宽的纬度范围，可以有效扩大该类天线的使用范围。

当前为解决天线宽波束功率增益优化问题，常规的做法是通过波束赋形方法(Shaped Beam-Pattern Synthesis，SBPS)来实现：1)通过直接约束波束方向图，获得优化的天线单元权系数；2)利用获得的单元权系数计算天线功率增益。因为天线的功率增益同时受天线的辐射功率密度和辐射总功率的影响，而这两个参数又同时受阵列单元的权系数约束。SBPS类方法的缺陷是明显的，其只考虑了阵列单元权系数对天线辐射功率密度的影响，没有考虑阵列单元权系数对天线辐射总功率的影响，因而获得的最优波束方向图并不能保证获得最优的功率增益。另外，在给定最小主瓣功率增益时，SBPS类方法不能直接求解主瓣波束宽度最大化问题。

发明内容

基于现有技术的上述问题，本发明提供一种同时考虑阵元权系数对天线辐射功率密度和辐射总功率影响、通过迭代求解获得满足给定天线最小主瓣增益的最宽主瓣波束的方法。

作为一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，本发明的一个实施例包括步骤：

(1)初始化天线主瓣波束端点值；

(2)计算天线增益，判断天线增益是否等于给定最小主瓣增益，是则由端点值构成的主瓣波束为天线最宽波束，否则进入步骤(3)；

(3)在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小；

(4)重复步骤(2)，直至天线增益等于给定最小主瓣增益。

进一步地，所述天线主瓣波束端点关于给定中心对称。

进一步地，利用θ₁、θ₂表示天线主瓣波束左、右端点值，θ_left1、θ_right1表示天线主瓣波束左端点值的左、右调节值，θ_left2、θ_right2表示天线主瓣波束右端点值的左、右调节值，θ₁＝(θ_left1+θ_right1)/2，θ₂＝(θ_left2+θ_right2)/2，天线主瓣波束端点值的初始化方法为令θ_left1＝max{0，2θ_c-π}，θ_right1＝θ_c，θ_left2＝θ_c和θ_rigth2＝max{2θ_c，π}。

进一步地，计算天线增益的方法将天线主瓣波束和[θ₁，θ₂]内的所有离散化角度代入下列公式：

其中,G_ε表示天线主瓣最小增益，表示阵列单元权系数，A_θ＝a(θ)a^H(θ),且a(θ)＝[a₁(θ)E₁(θ)，…，a_N(θ)E_N(θ)]^H。ω_n，a_n(θ)和E_n(θ)分别表示第n个阵元因子的复加权系数、阵因子和远场电场强度，θ₁、θ₂为天线主瓣波束θ的左、右端点值。

进一步地，步骤(3)中，当天线增益小于给定最小主瓣增益时，在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小的方法为令天线主瓣波束左端点值的左调节值取值为天线主瓣波束现有左端点值，右端点值的右调节值取值为天线主瓣波束现有右端点值，利用更新后的左、右调节值调节天线主瓣波束端点值大小。

进一步地，步骤(3)中，当天线增益大于给定最小主瓣增益时，在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小的方法为令天线主瓣波束左端点值的右调节值取值为天线主瓣波束现有左端点值，右端点值的左调节值取值为天线主瓣波束现有右端点值，利用更新后的左、右调节值调节天线主瓣波束端点值大小。

进一步地，所述方法适用于线阵列天线和面阵列天线，所述阵列天线包括均匀分布阵列天线和非均匀分布阵列天线。

进一步地，满足精度要求前提下，步骤(2)中判断条件可以是判断天线增益与给定最小主瓣增益的差值是否不大于设定阈值。

本发明实施例可实现的积极有益技术效果包括：通过不断在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小，迭代求解满足给定阵列天线最小主瓣增益的最宽主瓣波束，可避免通过暴力搜索所有可能阵元权系数组合来获得最优解，大大减小了计算负担；拟通过对天线增益的直接约束，同时考虑阵列单元权系数对天线辐射功率密度和辐射总功率的影响，获得的最优波束方向图可保证获得最优的天线功率增益。

本发明的其他方面和优点根据下面结合附图的详细的描述而变得明显，所述附图通过示例说明本发明的原理。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实施例提供的满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法流程图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

图1为本发明实施例提供的满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法流程图，如图1所示，包括步骤：

(1)初始化天线主瓣波束端点值；

(2)计算天线增益，判断天线增益是否等于给定最小主瓣增益，是则由端点值构成的主瓣波束为天线最宽波束，否则进入步骤(3)；

(3)在天线主瓣波束现有端点值基础上调节端点值大小；

(4)重复步骤(2)，直至天线增益等于给定最小主瓣增益。

利用θ₁、θ₂表示天线主瓣波束左、右端点值，θ_left1、θ_right1表示天线主瓣波束左端点值的左、右调节值，θ_left2、θ_right2表示天线主瓣波束右端点值的左、右调节值，θ₁＝(θ_left1+θ_right1)/2，θ₂＝(θ_left2+θ_right2)/2，天线主瓣波束端点值的初始化方法为令θ_left1＝max{0，2θ_c-π}，θ_right1＝θ_c，θ_left2＝θ_c和θ_rigth2＝max{2θ_c，π}。

步骤(2)中，计算天线增益的方法为将天线主瓣波束[θ₁，θ₂]内的所有离散化角度代入下列公式：

其中,G_ε表示天线主瓣最小增益，表示阵列单元权系数，A_θ＝a(θ)a^H(θ),且a(θ)＝[a₁(θ)E₁(θ)，…，a_N(θ)E_N(θ)]^H。ω_n，a_n(θ)和E_n(θ)分别表示第n个阵元因子的复加权系数、阵因子和远场电场强度，θ₁、θ₂为天线主瓣波束θ的左、右端点值。通常情况，阵列天线的阵元特性相同，远场电场强度E_n(θ)可看成已知系数，此时a(θ)＝[a₁(θ)，…，a_N(θ)]^H仅与阵因子有关，且给定阵列天线的阵元和形式后，矩阵A_θ为已知参数。天线增益G_ε表达式中阵列单元权系数w对分子w^HA_θw形成约束，对分母w^HAw也形成约束，拟通过对天线增益G_ε的直接约束，同时考虑阵列单元权系数w对天线辐射功率密度和辐射总功率的影响，获得的最优波束方向图可保证获得最优的天线功率增益。同时，天线主瓣波束[θ₁，θ₂]内的离散化角度个数有限，可大大减小计算负担。

步骤(3)中，当天线增益小于给定最小主瓣增益时，在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小的方法为令天线主瓣波束左端点值的左调节值取值为天线主瓣波束现有左端点值，右端点值的右调节值取值为天线主瓣波束现有右端点值，即令θ_left1＝θ₁，θ_right2＝θ₂，θ_left1、θ_right2分别表示调节后的天线主瓣波束左端点值的左调节值、右端点值的右调节值，θ₁、θ₂分别表示天线主瓣波束现有左、右端点值，然后利用更新后的左、右调节值调节天线主瓣波束端点值大小。

步骤(3)中，当天线增益大于给定最小主瓣增益时，在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小的方法为令天线主瓣波束左端点值的右调节值取值为天线主瓣波束现有左端点值，右端点值的左调节值取值为天线主瓣波束现有右端点值，即令θ_right1＝θ₁，θ_left2＝θ₁。θ_left2、θ_right1分别表示调节后的天线主瓣波束左右端点值的左调节值、左端点值的右调节值，θ₁、θ₂分别表示天线主瓣波束现有左、右端点值，然后利用更新后的左、右调节值调节天线主瓣波束端点值大小。

通过不断在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小，迭代求解满足给定阵列天线最小主瓣增益的最宽主瓣波束，可避免通过暴力搜索所有可能阵元权系数组合来获得最优解，大大减小了计算负担。

优化地，满足误差精度前提下，步骤(2)中判断条件可以是判断天线增益与给定最小主瓣增益的差值是否不大于设定阈值，对应地，步骤(3)中，当天线增益与给定最小主瓣增益的差值大于设定阈值且天线增益小于给定最小主瓣增益时，在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小的方法为令天线主瓣波束左端点值的左调节值取值为天线主瓣波束现有左端点值，右端点值的右调节值取值为天线主瓣波束现有右端点值；当天线增益与给定最小主瓣增益的差值大于设定阈值且天线增益大于给定最小主瓣增益时，在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小的方法为令天线主瓣波束左端点值的右调节值取值为天线主瓣波束现有左端点值，右端点值的左调节值取值为天线主瓣波束现有右端点值；步骤(4)为重复步骤(2)，直至天线增益与给定最小主瓣增益的差值不大于设定阈值。

本发明所述天线主瓣最宽化方法适用于线阵列天线和面阵列天线，阵列天线包括均匀分布阵列天线和非均匀分布阵列天线。

本发明的不同方面、实施例、实施方式或特征能够单独使用或任意组合使用。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，其特征在于包括步骤：

(1)初始化天线主瓣波束端点值；

(2)计算天线增益，判断天线增益是否等于给定最小主瓣增益，是则由端点值构成的主瓣波束为天线最宽波束，否则进入步骤(3)；

(3)在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小；

(4)重复步骤(2)，直至天线增益等于给定最小主瓣增益。

2.根据权利要求1所述的一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，其特征在于，所述天线主瓣波束端点关于给定中心对称。

3.根据权利要求1所述的一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，其特征在于，利用θ₁、θ₂表示天线主瓣波束左、右端点值，θ_left1、θ_right1表示天线主瓣波束左端点值的左、右调节值，θ_left2、θ_right2表示天线主瓣波束右端点值的左、右调节值，θ₁＝(θ_left1+θ_right1)/2，θ₂＝(θ_left2+θ_right2)/2，天线主瓣波束端点值的初始化方法为令θ_left1＝max{0，2θ_c-π}，θ_right1＝θ_c，θ_left2＝θ_c和θ_rigth2＝max{2θ_c，π}。

4.根据权利要求1所述的一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，其特征在于，计算天线增益的方法为将天线主瓣波束[θ₁，θ₂]内的所有离散化角度代入下列公式：

其中，G_ε表示天线主瓣最小增益，表示阵列单元权系数，A_θ＝a(θ)a^H(θ)，且a(θ)＝[a₁(θ)E₁(θ)，…，a_N(θ)E_N(θ)]^H。ω_n，a_n(θ)和E_n(θ)分别表示第n个阵元因子的复加权系数、阵因子和远场电场强度，θ₁、θ₂为天线主瓣波束θ的左、右端点值。

5.根据权利要求3所述的一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，其特征在于，步骤(3)中，当天线增益小于给定最小主瓣增益时，在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小的方法包括：令天线主瓣波束左端点值的左调节值取值为天线主瓣波束现有左端点值，右端点值的右调节值取值为天线主瓣波束现有右端点值，利用更新后的左、右调节值调节天线主瓣波束端点值大小。

6.根据权利要求3所述的一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，其特征在于，步骤(3)中，当天线增益大于给定最小主瓣增益时，在现有天线主瓣波束端点值基础上调节端点值大小的方法包括：令天线主瓣波束左端点值的右调节值取值为天线主瓣波束现有左端点值，右端点值的左调节值取值为天线主瓣波束现有右端点值，利用更新后的左、右调节值调节天线主瓣波束端点值大小。

7.根据权利要求1所述的一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，其特征在于，所述方法适用于线阵列天线和面阵列天线，所述阵列天线包括均匀分布阵列天线和非均匀分布阵列天线。

8.根据权利要求1所述的一种满足给定最小主瓣增益的天线主瓣最宽化方法，其特征在于，满足精度要求前提下，步骤(2)中判断条件可以是判断天线增益与给定最小主瓣增益的差值是否不大于设定阈值。