CN109783901B - 串馈victs平板阵列天线扫描波束估计方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法和装置，属于通信技术领域。所述方法包括：根据系统应用指标确定串馈VICTS平板阵列天线的参数；根据所述馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向；根据所述阵元间距、所述辐射层的旋转角度、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数；在所述俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据所述辐射方向图函数计算最大波束指向。

Description

串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法和装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法和装置。
背景技术
连续横向支节(Continuous Transverse Stub，CTS)天线由美国雷神公司在二十世纪九十年代最先提出，并开发出大量基于平板结构的CTS天线产品。经历近30年的发展，CTS天线技术已延伸至多个领域和多种形式，其中，串馈可变倾角连续横向支节(VariableInclination Continuous Transverse Stub，VICTS)阵列平板天线，具有低剖面、高效率、超宽带、高倾斜波束的优异性能。
串馈VICTS平板阵列天线包括可以对旋转的辐射层与馈电层，通过旋转辐射层与馈电层可以调节天线的馈电相位差，进而改变天线的最大波束指向。最大波束指向是天线的重要参数，目前通常需要通过高频结构仿真(High Frequency Structure Simulator，HFSS)计算才能得到，且每次仿真计算只能确定一个旋转角度的最大波束指，造成最大波束指向确定复杂，费时费力。
发明内容
本发明实施例提供了一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法和装置，以减小串馈VICTS平板阵列天线最大波束指向确定的复杂性。所述技术方案如下：
本发明实施例提供了一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法，所述方法包括：
第一方面，本发明实施例提供了一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法，所述方法应用于串馈VICTS平板阵列天线，所述串馈VICTS平板阵列天线包括馈电层和位于所述馈电层上且可相对于所述馈电层旋转的辐射层，所述方法包括：
根据系统应用指标确定串馈VICTS平板阵列天线的参数，所述系统应用指标包括天线的增益、频率和扫描范围，所述串馈VICTS平板阵列天线的参数包括虚拟离散阵元的阵元间距；
根据所述馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向；
根据所述阵元间距、所述辐射层的旋转角度、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，所述多次加密的VICTS阵列是指通过插值在所述串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列，所述辐射方向图函数为辐射方向图关于俯仰扫描角度和方位扫描角度的函数；
在所述俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据所述辐射方向图函数计算最大波束指向。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述根据所述馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，包括：
按照如下公式计算所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向：
Figure BDA0001926438140000021
其中，u0、v0为波束指向，ξk为波导填充介质的等效介电常数，α为所述馈电层的旋转角度。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述根据所述阵元间距、所述辐射层的旋转角度、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，包括：
根据所述阵元间距和所述辐射层的旋转角度分别计算矩形平面阵列的行间距与列间距；
根据所述矩形平面阵列的行间距与列间距、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述根据所述阵元间距和所述辐射层的旋转角度分别计算矩形平面阵列的行间距与列间距，包括：
按照如下公式计算所述矩形平面阵列的行间距与列间距：
dx＝d/sinγ；dy＝d/cosγ；
其中，dx和dy分别为矩形平面阵列行间距与列间距，d为阵元间距，γ为所述辐射层的旋转角度。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述根据所述矩形平面阵列的行间距与列间距、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，包括：
按照如下公式确定辐射方向图函数：
Figure BDA0001926438140000031
Figure BDA0001926438140000032
Figure BDA0001926438140000033
其中，E为辐射方向图，A为加密总次数，M为阵列行数，N为阵列列数，k为阵列波导传播常数，u、v为阵列导向矢量，θ为俯仰扫描角度，
Figure BDA0001926438140000034
为方位扫描角度，j为复数，a为加密序号，exp为以e为底的指数函数，*为乘号；
其中，
Figure BDA0001926438140000035
表示求A次乘积。
第二方面，本发明实施例还提供了一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置，所述装置应用于串馈VICTS平板阵列天线，所述串馈VICTS平板阵列天线包括馈电层和位于所述馈电层上且可相对于所述馈电层旋转的辐射层，所述装置包括：
第一确定模块，用于根据系统应用指标确定串馈VICTS平板阵列天线的参数，所述系统应用指标包括天线的增益、频率和扫描范围，所述串馈VICTS平板阵列天线的参数包括虚拟离散阵元的阵元间距；
第二确定模块，用于根据所述馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向；
处理模块，用于根据所述阵元间距、所述辐射层的旋转角度、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，所述多次加密的VICTS阵列是指通过插值在所述串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列，所述辐射方向图函数为辐射方向图关于俯仰扫描角度和方位扫描角度的函数；
计算模块，用于在所述俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据所述辐射方向图函数计算最大波束指向。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述第二确定模块，用于按照如下公式计算所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向：
Figure BDA0001926438140000041
其中，u0、v0为波束指向，ξk为波导填充介质的等效介电常数，α为所述馈电层的旋转角度。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述处理模块，用于根据所述阵元间距和所述辐射层的旋转角度分别计算矩形平面阵列的行间距与列间距；根据所述矩形平面阵列的行间距与列间距、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述处理模块，用于按照如下公式计算所述矩形平面阵列的行间距与列间距：
dx＝d/sinγ；dy＝d/cosγ；
其中，dx和dy分别为矩形平面阵列行间距与列间距，d为阵元间距，γ为所述辐射层的旋转角度。
在本发明实施例的一种实现方式中，所述处理模块，用于按照如下公式确定辐射方向图函数：
Figure BDA0001926438140000051
Figure BDA0001926438140000052
Figure BDA0001926438140000053
其中，E为辐射方向图，A为加密总次数，M为阵列行数，N为阵列列数，k为阵列波导传播常数，u、v为阵列导向矢量，θ为俯仰扫描角度，
Figure BDA0001926438140000054
为方位扫描角度，j为复数，a为加密序号，exp为以e为底的指数函数，*为乘号；
其中，
Figure BDA0001926438140000055
表示求A次乘积。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
在本发明实施例中，通过给定的系统应用指标来确定串馈VICTS平板阵列天线的参数，然后根据天线的参数、馈电层的旋转角度、辐射层的旋转角度、波导填充介质的等效介电常数，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，最后在所述俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据所述辐射方向图函数计算最大波束指向。通过这种方式，可以计算出各种旋转角度下的最大波束指向，简化了计算的复杂度，省时省力；并且，多次加密的VICTS阵列是指通过插值在所述串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列，从而使得虚拟离散阵元的密度更大，使得最后求出的辐射方向图更准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的在辐射层旋转时入射波矢量分解图；
图3是本发明实施例提供的另一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的在辐射层和馈电层旋转时入射波矢量分解图；
图5是本发明实施例提供的HFSS仿真模型；
图6是本发明实施例提供的在辐射层不旋转时利用Matlab计算三维方向图；
图7是本发明实施例提供的在辐射层不旋转时利用HFSS仿真计算三维方向图；
图8是本发明实施例提供的在辐射层逆时针旋转20°时利用Matlab计算三维方向图；
图9是本发明实施例提供的在辐射层逆时针旋转20°时利用HFSS仿真计算三维方向图；
图10是本发明实施例提供的在辐射层逆时针旋转40°时利用Matlab计算三维方向图；
图11是本发明实施例提供的在辐射层逆时针旋转40°时利用HFSS仿真计算三维方向图；
图12是本发明实施例提供的在辐射层逆时针旋转20°、馈电层顺时针旋转-60°时利用Matlab计算三维方向图；
图13是本发明实施例提供的在辐射层逆时针旋转20°、馈电层顺时针旋转-60°时利用HFSS仿真计算三维方向图；
图14是本发明实施例提供的在辐射层逆时针旋转20°、馈电层顺时针旋转-60°时利用Matlab计算俯仰面最大值方向图；
图15是本发明实施例提供的在辐射层逆时针旋转20°、馈电层顺时针旋转-60°时利用HFSS仿真计算俯仰面方向图；
图16是本发明实施例提供的一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置的结构示意图；
图17是本发明实施例提供的一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1是本发明实施例提供的一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法的流程图。该方法应用于串馈VICTS平板阵列天线，串馈VICTS平板阵列天线包括馈电层和位于馈电层上且可相对于馈电层旋转的辐射层，参见图1，该方法包括：
步骤101：根据系统应用指标确定串馈VICTS平板阵列天线的参数。
在本发明实施例中，系统应用指标包括天线的增益、频率(或称中心频率)和扫描范围。根据这些参数，利用现有工具或者公式即可确定出串馈VICTS平板阵列天线的参数。
在本发明实施例中，串馈VICTS平板阵列天线的参数包括虚拟离散阵元的阵元间距，阵元间距是指在天线的辐射层的波导上虚拟出的阵元点。除此之外，串馈VICTS平板阵列天线的参数还包括天线的等效尺寸、阵元数目、单元形式等。其中，等效尺寸是指辐射层的辐射面积。单元形式包括线极化和圆极化，本申请是以线极化天线为例进行说明的，在圆极化天线中，在辐射层和馈电层之间还需要设置极化转换器。
图2是本发明实施例提供的在辐射层旋转时入射波矢量分解图。参见图2，图示d即为阵元间距。
步骤102：根据馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向。
其中，馈电层的旋转角度是指馈电层相对于x轴的夹角。参见图2，在计算辐射方向图时，会建立坐标系，当馈电层和辐射层均未旋转时，旋转角度均为0度。图2中，馈电层的旋转角度为0，辐射层的旋转角度为γ。
其中，参见图2，辐射层的表面开设有多个平行的凹槽，从而使得未开设凹槽的部分形成平行排布的波导，波导填充介质是指填充在这些凹槽内的介质，可以根据制作成本选用不同的材料，也可以不填充。波导填充介质的等效介电常数也即填充在凹槽内的介质的凹槽内的等效介电常数(取值通常在1-3之间)。
步骤103：根据阵元间距、辐射层的旋转角度、在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数。
其中，多次加密的VICTS阵列是指通过插值在串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列。例如，原始阵元阵列为如图2所示的黑点，在此基础上，可以在这些黑点间插入更多的黑点，从而使得虚拟离散阵元的密度更大，使得最后求出的辐射方向图更准确。
其中，辐射方向图函数为辐射方向图关于俯仰扫描角度和方位扫描角度的函数。
步骤104：在俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据辐射方向图函数计算最大波束指向。
其中，俯仰扫描角度的取值范围为0度～90度，方位扫描角度的取值范围为0度～360度。
在本发明实施例中，通过给定的系统应用指标来确定串馈VICTS平板阵列天线的参数，然后根据天线的参数、馈电层的旋转角度、辐射层的旋转角度、波导填充介质的等效介电常数，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，最后在俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据辐射方向图函数计算最大波束指向。通过这种方式，可以计算出各种旋转角度下的最大波束指向，简化了计算的复杂度，省时省力；并且，多次加密的VICTS阵列是指通过插值在串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列，从而使得虚拟离散阵元的密度更大，使得最后求出的辐射方向图更准确。
图2是本发明实施例提供的另一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法的流程图。该方法应用于串馈VICTS平板阵列天线，串馈VICTS平板阵列天线包括馈电层和位于馈电层上且可相对于馈电层旋转的辐射层，参见图2，该方法包括：
步骤201：根据系统应用指标确定串馈VICTS平板阵列天线的参数。
在本发明实施例中，系统应用指标包括天线的增益、频率(或称中心频率)和扫描范围。根据这些参数，利用现有工具或者公式即可确定出串馈VICTS平板阵列天线的参数。
在本发明实施例中，串馈VICTS平板阵列天线的参数包括虚拟离散阵元的阵元间距，阵元间距是指在天线的辐射层的波导上虚拟出的阵元点。除此之外，串馈VICTS平板阵列天线的参数还包括天线的等效尺寸、阵元数目、单元形式等。其中，等效尺寸是指辐射层的辐射面积。单元形式包括线极化和圆极化，本申请是以线极化天线为例进行说明的，在圆极化天线中，在辐射层和馈电层之间还需要设置极化转换器。
图2是本发明实施例提供的在辐射层旋转时入射波矢量分解图。参见图2，图示d即为阵元间距。
步骤202：根据馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向。
其中，馈电层的旋转角度是指馈电层相对于x轴的夹角。参见图2，在计算辐射方向图时，会建立坐标系，当馈电层和辐射层均未旋转时，旋转角度均为0度。图2中，馈电层的旋转角度为0，辐射层的旋转角度为γ。
其中，参见图2，辐射层的表面开设有多个平行的凹槽，从而使得未开设凹槽的部分形成平行排布的波导，波导填充介质是指填充在这些凹槽内的介质，可以根据制作成本选用不同的材料，也可以不填充。波导填充介质的等效介电常数也即填充在凹槽内的介质的凹槽内的等效介电常数(取值通常在1-3之间)。
在本发明实施例中，该步骤可以包括：
按照如下公式计算在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向：
Figure BDA0001926438140000091
其中，u0、v0为波束指向，ξk为波导填充介质的等效介电常数，α为馈电层的旋转角度。
下面对在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向计算公式的推导进行说明：
假设辐射层内填充介质为均匀分布介质，由于入射波的方向性，将其沿y轴方向和x轴方向进行矢量分解。可以看出，对于入射波垂直分量由于其在y轴方向投影为零，因此相邻虚拟离散阵元沿y轴方向没有相位变化，同理入射波水平分量在x轴方向投影为零，因此相邻虚拟离散阵元沿x轴方向没有相位变化，即入射波沿y轴水平分量不会影响x轴的相位变化，沿x轴垂直分量不会影响y轴相位变化，因此在x轴和y轴方向的激励相位差分别为：
Figure BDA0001926438140000092
其中，
Figure BDA0001926438140000093
为在x轴的激励相位差，
Figure BDA0001926438140000094
为在y轴的激励相位差，k为阵列波导传播常数，dx和dy分别为矩形平面阵列(或称为VICTS阵列)行间距与列间距。
分别计算在坐标系x轴分量上的激励相位差
Figure BDA0001926438140000101
为0时，以及在坐标系y轴分量上的激励相位差
Figure BDA0001926438140000102
为0时的波束指向，得到如下公式:
Figure BDA0001926438140000103
步骤203：根据阵元间距和辐射层的旋转角度分别计算矩形平面阵列的行间距与列间距。
图4是本发明实施例提供的在辐射层和馈电层旋转时入射波矢量分解图。参见图4，dx和dy分别为矩形平面阵列行间距与列间距，d为阵元间距，γ为辐射层的旋转角度，从图上可以看出，dx和dy也就是d在x轴和y轴上的分量。
在本发明实施例中，该步骤可以包括：
按照如下公式计算矩形平面阵列的行间距与列间距：
dx＝d/sinγ；dy＝d/cosγ；
其中，dx和dy分别为矩形平面阵列行间距与列间距，d为阵元间距，γ为辐射层的旋转角度。
其中，矩形平面阵列行间距是指在辐射层转动后，在x轴方向上的相邻虚拟离散阵元的间距，也即图2中的dx；矩形平面阵列列间距是指在辐射层转动后，在y轴方向上的相邻虚拟离散阵元的间距，也即图2中的dy。
步骤204：根据矩形平面阵列的行间距与列间距、在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数。
其中，多次加密的VICTS阵列是指通过插值在串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列。例如，原始阵元阵列为如图2所示的黑点，在此基础上，可以在这些黑点间插入更多的黑点，从而使得虚拟离散阵元的密度更大，使得最后求出的辐射方向图更准确。
具体地，VICTS阵列加密可以采用如下方式：第一次加密时，复制原来的VICTS阵列并按照(dx/2，dy/2)进行移动，移动后的阵列与原来的阵列构成第一次加密后的阵列；第二次加密时，复制第一次加密后的阵列的VICTS阵列并按照(dx/4，dy/4)进行移动，移动后的阵列与原来的阵列构成第二次加密后的阵列；依次类推；第A次加密时，复制第A-1次加密后的阵列的VICTS阵列并按照(dx/2A，dy/2A)进行移动，移动后的阵列与原来的阵列构成第A次加密后的阵列。
其中，辐射方向图函数为辐射方向图关于俯仰扫描角度和方位扫描角度的函数。
在本发明实施例中，该步骤可以包括：
按照如下公式确定辐射方向图函数：
Figure BDA0001926438140000111
Figure BDA0001926438140000112
Figure BDA0001926438140000113
其中，E为辐射方向图，A为加密总次数，M为阵列行数，N为阵列列数，k为阵列波导传播常数，u、v为阵列导向矢量，θ为俯仰扫描角度，
Figure BDA0001926438140000114
为方位扫描角度，j为复数，a为加密序号(取值从第1次到第A次)，exp为以e为底的指数函数，*为乘号。
其中，
Figure BDA0001926438140000115
表示求A次乘积。
其中，阵列行数和阵列列数是指虚拟离散阵元的行数和列数。串馈VICTS平板阵列天线的参数中包括天线的等效尺寸、阵元数目以及阵元间距，根据这些可以确定出这里的阵列行数和阵列列数。
对于上述进行A次加密后形成的三角形栅格阵列，其虚拟离散阵元的相位差φx、φy，由阵元位置不同导致的空间相位差φx1、φy1和不同激励路径相位导致的激励相位差φx2、φy2组成：
Figure BDA0001926438140000116
其中，空间相位差可以表示为：
Figure BDA0001926438140000117
激励相位差可以表示为：
Figure BDA0001926438140000118
根据虚拟离散阵元的相位差可以得到辐射方向图公式：；
Figure BDA0001926438140000119
Figure BDA00019264381400001110
其中，exp(-j*k*(dx(u-u0)/2+dy(v-v0)/2))为相位变化因子。
下面结合图2和图4的入射波矢量分解图，对上述公式进行举例说明：
实例1：参见图2，这种情况下只有辐射层旋转，辐射层旋转角度为γ(假设旋转正向为逆时针)，馈电层不旋转。参照图2可以发现，在辐射层旋转时，入射平面波在x轴投影始终为零，此时相邻点源之间沿x轴没有相位变化，沿y轴方向间距dy导致存在相位差，即此时的激励相位差满足：
Figure BDA0001926438140000121
对于方向图归一化因子，当辐射电场之间的相位差为2π的整数倍时，各个点源的辐射电场会叠加使方向图达到最大值，一般情况下只分析相位差φx、φy为0对应的最大波束指向，按照公式可以得到VICTS阵列的最大波束指向满足为：
Figure BDA0001926438140000122
即有：
Figure BDA0001926438140000123
将得到最大波束指向带入A次加密后VICTS阵列的辐射方向图：
Figure BDA0001926438140000124
Figure BDA0001926438140000125
可见此时的最大波束指向除与旋转角度相关，还与平行板波导间填充介质有关。
实例2：参见图4，辐射层与馈电层都旋转，辐射层相对馈电层旋转β角度(假设旋转正向为逆时针)，且馈电层相对初始水平位置旋转α角度(假设旋转正向为顺时针)。
假设平行板波导内部填充介质为均匀分布介质，由于入射波的方向性，将其沿y轴方向和x轴方向进行矢量分解。可以看出，对于入射波垂直分量由于其在y轴方向投影为零，因此相邻点源沿y轴方向没有相位变化，同理入射波水平分量在x轴方向投影为零，因此相邻点源沿x轴方向没有相位变化，即入射波沿y轴水平分量不会影响x轴的相位变化，沿x轴垂直分量不会影响y轴相位变化，因此在x轴和y轴方向的激励相位差分别为：
Figure BDA0001926438140000126
按照公式可以得到:
Figure BDA0001926438140000131
将得到最大波束指向带入A次加密后VICTS阵列的辐射方向图：
Figure BDA0001926438140000132
Figure BDA0001926438140000133
可以看出，在馈电层旋转角度为0时该公式计算结果与实例1结果完全一样，因此可以认为实例1是实例2的特例。对于平行板波导间介质分布均匀的VICTS阵列，公式计算波束指向具有普适性。
步骤205：在俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据辐射方向图函数计算最大波束指向。
其中，俯仰扫描角度的取值范围为0度～90度，方位扫描角度的取值范围为0度～360度，此时对应的阵列导向矢量u和v为半球面扫描范围。利用上述公式计算不同u、v下的辐射方向图值，并从中选取最大值，即为最大波束指向。
下面对中心频率为15GHz，间距为中心频率对应一个波导波长的理想VICTS阵列为例，对本发明实施例提供的最大波束指向计算方法的效果进行验证。
图5是本发明实施例提供的HFSS仿真模型。通过利用Matlab计算三维方向图和利用HFSS仿真模型计算三维方向图来对比验证本发明实施例提供的最大波束指向方法的效果。
图6-图15是利用Matlab计算三维方向图和利用HFSS仿真模型计算三维方向图的效果对比图。其中，u、v为阵列导向矢量，Theta为方位角，Phi为俯仰角，GainTotal为Theta方向增益和Phi方向增益的矢量合成。可以看出，利用Matlab通过本发明实施例提供的计算方法计算的结果与利用HFSS仿真模型仿真结果一致，说明本发明实施例提供的最大波束指向计算方法的效果好。
其中，图9是本发明实施例提供的对于实例1的HFSS仿真模型。从图9中可以看出天线方向图是标准的十字型副瓣分布，随着辐射层旋转角度的增大，VICTS阵列的主波束对应俯仰角逐渐下倾，实现了E面的扫描，同时随着旋转角度的变化，在扫描俯仰角下倾的同时，方位角也在逐渐变化，且俯仰角与方位角变化随辐射层旋转角度存在一定的线性关系。因此，只有辐射层进行旋转时，会同时导致扫描主波束中俯仰角和方位角的同时变化，阵列辐射层进行旋转的某个角度在辐射方向图上会与唯一的俯仰面和方位面进行对应。
图12是本发明实施例提供的对于实例2的HFSS仿真模型。从图12中可以看出，天线方向图是标准的十字型副瓣分布，随着辐射层和馈电层旋转角度的变化，VICTS阵列的主波束指向变化剧烈，且不再保持与单层辐射层旋转所呈现的线性关系，且阵列辐射层进行旋转的某个角度在辐射方向图上会与唯一的俯仰面和方位面进行对应。
从图9和图12可以看出，本发明提供的最大波束指向计算方法的效果与HFSS仿真一致，说明本发明实施例提供的最大波束指向计算方法的效果好。
图16是本发明实施例提供的一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置的结构示意图。参见图16，该装置应用于串馈VICTS平板阵列天线，串馈VICTS平板阵列天线包括馈电层和位于馈电层上且可相对于馈电层旋转的辐射层，该装置包括：
第一确定模块301，用于根据系统应用指标确定串馈VICTS平板阵列天线的参数，系统应用指标包括天线的增益、频率和扫描范围，串馈VICTS平板阵列天线的参数包括虚拟离散阵元的阵元间距。
第二确定模块302，用于根据馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向。
处理模块303，用于根据阵元间距、辐射层的旋转角度、在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，多次加密的VICTS阵列是指通过插值在串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列，辐射方向图函数为辐射方向图关于俯仰扫描角度和方位扫描角度的函数。
计算模块304，用于在俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据辐射方向图函数计算最大波束指向。
在本发明实施例的一种实现方式中，第二确定模块302，用于按照如下公式计算在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向：
Figure BDA0001926438140000151
其中，u0、v0为波束指向，ξk为波导填充介质的等效介电常数，α为馈电层的旋转角度。
在本发明实施例的一种实现方式中，处理模块303，用于根据阵元间距和辐射层的旋转角度分别计算矩形平面阵列的行间距与列间距；根据矩形平面阵列的行间距与列间距、在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数。
在本发明实施例的一种实现方式中，处理模块303，用于按照如下公式计算矩形平面阵列的行间距与列间距：
dx＝d/sinγ；dy＝d/cosγ；
其中，dx和dy分别为矩形平面阵列行间距与列间距，d为阵元间距，γ为辐射层的旋转角度。
在本发明实施例的一种实现方式中，处理模块303，用于按照如下公式确定辐射方向图函数：
Figure BDA0001926438140000152
Figure BDA0001926438140000153
Figure BDA0001926438140000154
其中，E为辐射方向图，A为加密总次数，M为阵列行数，N为阵列列数，k为阵列波导传播常数，u、v为阵列导向矢量，θ为俯仰扫描角度，
Figure BDA0001926438140000155
为方位扫描角度，j为复数，a为加密序号，exp为以e为底的指数函数，*为乘号；
其中，
Figure BDA0001926438140000156
表示求A次乘积。
需要说明的是：上述实施例提供的串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置在进行串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置与串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
图17是本发明实施例提供的一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置的结构框图。该装置600可以是终端设备，例如台式电脑、服务器等。
示例性地，装置600包括：处理器601和存储器602。
处理器601可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器601可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器601也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(Central ProcessingUnit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器601可以在集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器601还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。
存储器602可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器602还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。在一些实施例中，存储器602中的非暂态的计算机可读存储介质用于存储至少一个指令，该至少一个指令用于被处理器601所执行以实现本申请中方法实施例提供的串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法。
在一些实施例中，装置600还可选包括有：外围设备接口603和至少一个外围设备。处理器601、存储器602和外围设备接口603之间可以通过总线或信号线相连。各个外围设备可以通过总线、信号线或电路板与外围设备接口603相连。具体地，外围设备包括：射频电路604、触摸显示屏605、摄像头606、音频电路607、定位组件608和电源609中的至少一种。
外围设备接口603可被用于将I/O(Input/Output，输入/输出)相关的至少一个外围设备连接到处理器601和存储器602。在一些实施例中，处理器601、存储器602和外围设备接口603被集成在同一芯片或电路板上；在一些其他实施例中，处理器601、存储器602和外围设备接口603中的任意一个或两个可以在单独的芯片或电路板上实现，本实施例对此不加以限定。
射频电路604用于接收和发射RF(Radio Frequency，射频)信号，也称电磁信号。射频电路604通过电磁信号与通信网络以及其他通信设备进行通信。射频电路604将电信号转换为电磁信号进行发送，或者，将接收到的电磁信号转换为电信号。可选地，射频电路604包括：天线系统、RF收发器、一个或多个放大器、调谐器、振荡器、数字信号处理器、编解码芯片组、用户身份模块卡等等。射频电路604可以通过至少一种无线通信协议来与其它终端进行通信。该无线通信协议包括但不限于：城域网、各代移动通信网络(2G、3G、4G及4G)、无线局域网和/或WiFi(Wireless Fidelity，无线保真)网络。在一些实施例中，射频电路604还可以包括NFC(Near Field Communication，近距离无线通信)有关的电路，本申请对此不加以限定。
显示屏605用于显示UI(User Interface，用户界面)。该UI可以包括图形、文本、图标、视频及其它们的任意组合。当显示屏605是触摸显示屏时，显示屏605还具有采集在显示屏605的表面或表面上方的触摸信号的能力。该触摸信号可以作为控制信号输入至处理器601进行处理。此时，显示屏605还可以用于提供虚拟按钮和/或虚拟键盘，也称软按钮和/或软键盘。在一些实施例中，显示屏605可以为一个，设置装置600的前面板；在另一些实施例中，显示屏605可以为至少两个，分别设置在装置600的不同表面或呈折叠设计；在再一些实施例中，显示屏605可以是柔性显示屏，设置在装置600的弯曲表面上或折叠面上。甚至，显示屏605还可以设置成非矩形的不规则图形，也即异形屏。显示屏605可以采用LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示屏)、OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)等材质制备。
摄像头组件606用于采集图像或视频。可选地，摄像头组件606包括前置摄像头和后置摄像头。通常，前置摄像头设置在终端的前面板，后置摄像头设置在终端的背面。在一些实施例中，后置摄像头为至少两个，分别为主摄像头、景深摄像头、广角摄像头、长焦摄像头中的任意一种，以实现主摄像头和景深摄像头融合实现背景虚化功能、主摄像头和广角摄像头融合实现全景拍摄以及VR(Virtual Reality，虚拟现实)拍摄功能或者其它融合拍摄功能。
音频电路607可以包括麦克风和扬声器。麦克风用于采集用户及环境的声波，并将声波转换为电信号输入至处理器601进行处理，或者输入至射频电路604以实现语音通信。出于立体声采集或降噪的目的，麦克风可以为多个，分别设置在装置600的不同部位。麦克风还可以是阵列麦克风或全向采集型麦克风。扬声器则用于将来自处理器601或射频电路604的电信号转换为声波。扬声器可以是传统的薄膜扬声器，也可以是压电陶瓷扬声器。当扬声器是压电陶瓷扬声器时，不仅可以将电信号转换为人类可听见的声波，也可以将电信号转换为人类听不见的声波以进行测距等用途。在一些实施例中，音频电路607还可以包括耳机插孔。
定位组件608用于定位装置600的当前地理位置，以实现导航或LBS(LocationBased Service，基于位置的服务)。定位组件608可以是基于美国的GPS(GlobalPositioning System，全球定位系统)、中国的北斗系统、俄罗斯的格雷纳斯系统或欧盟的伽利略系统的定位组件。
电源609用于为装置600中的各个组件进行供电。电源609可以是交流电、直流电、一次性电池或可充电电池。当电源609包括可充电电池时，该可充电电池可以支持有线充电或无线充电。该可充电电池还可以用于支持快充技术。
在一些实施例中，装置600还包括有一个或多个传感器610。该一个或多个传感器610包括但不限于：加速度传感器611、陀螺仪传感器612、压力传感器613、指纹传感器614、光学传感器614以及接近传感器616。
本领域技术人员可以理解，图17中示出的结构并不构成对装置600的限定，可以包括比图示更多或更少的组件，或者组合某些组件，或者采用不同的组件布置。
在示例性实施例中，还提供了一种包括指令的非临时性计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置的处理器执行以完成本发明各个实施例所示的串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法。例如，所述非临时性计算机可读存储介质可以是ROM、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光数据存储设备等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计方法，其特征在于，所述方法应用于串馈VICTS平板阵列天线，所述串馈VICTS平板阵列天线包括馈电层和位于所述馈电层上且可相对于所述馈电层旋转的辐射层，所述方法包括：
根据系统应用指标确定串馈VICTS平板阵列天线的参数，所述系统应用指标包括天线的增益、频率和扫描范围，所述串馈VICTS平板阵列天线的参数包括虚拟离散阵元的阵元间距；
根据所述馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向；
根据所述阵元间距、所述辐射层的旋转角度、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，所述多次加密的VICTS阵列是指通过插值在所述串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列，所述辐射方向图函数为辐射方向图关于俯仰扫描角度和方位扫描角度的函数；
在所述俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据所述辐射方向图函数计算最大波束指向。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，包括：
按照如下公式计算所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向：
Figure FDA0001926438130000011
其中，u0、v0为波束指向，ξk为波导填充介质的等效介电常数，α为所述馈电层的旋转角度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述阵元间距、所述辐射层的旋转角度、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，包括：
根据所述阵元间距和所述辐射层的旋转角度分别计算矩形平面阵列的行间距与列间距；
根据所述矩形平面阵列的行间距与列间距、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述阵元间距和所述辐射层的旋转角度分别计算矩形平面阵列的行间距与列间距，包括：
按照如下公式计算所述矩形平面阵列的行间距与列间距：
dx＝d/sinγ；dy＝d/cosγ；
其中，dx和dy分别为矩形平面阵列行间距与列间距，d为阵元间距，γ为所述辐射层的旋转角度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述矩形平面阵列的行间距与列间距、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，包括：
按照如下公式确定辐射方向图函数：
Figure FDA0001926438130000021
Figure FDA0001926438130000022
Figure FDA0001926438130000023
其中，E为辐射方向图，A为加密总次数，M为阵列行数，N为阵列列数，k为阵列波导传播常数，u、v为阵列导向矢量，θ为俯仰扫描角度，
Figure FDA0001926438130000024
为方位扫描角度，j为复数，a为加密序号，exp为以e为底的指数函数，*为乘号；
其中，
Figure FDA0001926438130000025
表示求A次乘积。
6.一种串馈VICTS平板阵列天线扫描波束估计装置，其特征在于，所述装置应用于串馈VICTS平板阵列天线，所述串馈VICTS平板阵列天线包括馈电层和位于所述馈电层上且可相对于所述馈电层旋转的辐射层，所述装置包括：
第一确定模块，用于根据系统应用指标确定串馈VICTS平板阵列天线的参数，所述系统应用指标包括天线的增益、频率和扫描范围，所述串馈VICTS平板阵列天线的参数包括虚拟离散阵元的阵元间距；
第二确定模块，用于根据所述馈电层的旋转角度以及波导填充介质的等效介电常数，确定在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向；
处理模块，用于根据所述阵元间距、所述辐射层的旋转角度、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数，所述多次加密的VICTS阵列是指通过插值在所述串馈VICTS平板阵列天线的原始阵元阵列中多次补入虚拟离散阵元后得到的阵元阵列，所述辐射方向图函数为辐射方向图关于俯仰扫描角度和方位扫描角度的函数；
计算模块，用于在所述俯仰扫描角度和方位扫描角度的取值范围内，根据所述辐射方向图函数计算最大波束指向。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二确定模块，用于按照如下公式计算所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向：
Figure FDA0001926438130000031
其中，u0、v0为波束指向，ξk为波导填充介质的等效介电常数，α为所述馈电层的旋转角度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理模块，用于根据所述阵元间距和所述辐射层的旋转角度分别计算矩形平面阵列的行间距与列间距；根据所述矩形平面阵列的行间距与列间距、所述在坐标系x轴分量上的激励相位差为0时的波束指向以及在坐标系y轴分量上的激励相位差为0时的波束指向，通过多次加密的VICTS阵列的辐射方向图公式确定辐射方向图函数。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述处理模块，用于按照如下公式计算所述矩形平面阵列的行间距与列间距：
dx＝d/sinγ；dy＝d/cosγ；
其中，dx和dy分别为矩形平面阵列行间距与列间距，d为阵元间距，γ为所述辐射层的旋转角度。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述处理模块，用于按照如下公式确定辐射方向图函数：
Figure FDA0001926438130000041
Figure FDA0001926438130000042
Figure FDA0001926438130000043
其中，E为辐射方向图，A为加密总次数，M为阵列行数，N为阵列列数，k为阵列波导传播常数，u、v为阵列导向矢量，θ为俯仰扫描角度，
Figure FDA0001926438130000044
为方位扫描角度，j为复数，a为加密序号，exp为以e为底的指数函数，*为乘号；
其中，
Figure FDA0001926438130000045
表示求A次乘积。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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