CN111612121B - 一种液晶微波相控阵天线动态增益的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种液晶微波相控阵天线动态增益的优化方法，应用于液晶微波电子器件领域，针对现有技术存在的由于回程区、工艺误差等因素，造成液晶微波相控阵天线波束控制效率降低，从而增大系统微波信号传输的损耗的问题；本发明微波发射机发出的微波信号在由液晶相控阵偏转后，由接收天线采集微波信号通过矢量网络分析仪传递给PC计算机，通过粒子群算法对采集回来的微波信号进行增益计算并优化液晶相控阵天线的控制电压，再经由波束控制器FPGA将电压转换为电压代码加载在液晶相控阵天线上，将控制液晶偏转减少液晶边缘效应和工艺误差的影响，保证了液晶相控阵天线性能的提高。

Description

一种液晶微波相控阵天线动态增益的优化方法

技术领域

本发明属于液晶微波电子器件领域，特别涉及一种液晶微波电子器件的优化相控技术。

背景技术

液晶微波相控阵天线技术是一种无惯性、多功能实时可编程的电控波束扫描技术。核心器件是采用向列相液晶作为相位调制的可调谐材料，具有驱动电压低、相位调制深度大等物理特点，同时器件具有重量轻、尺寸小、功耗低和易于实现微电子控制电路等优点，不但解决了微波相控阵天线的快速指向、灵活控制和空间扫描问题，而且使微波系统的集成度更高，柔性控制能力更强，制造成本更低廉。但是由于回程区、工艺误差等因素，会造成液晶微波相控阵天线波束控制效率降低，从而增大系统微波信号传输的损耗。因此，本发明将通过优化波控数据来进行相应的性能改进。

在液晶相控阵天线中当波束偏转时，理想的相位分布是类似于斜面的相位延迟的一定斜率相位面。由于液晶相控阵天线的移相区域被离散的电极分割成若干个阵元，在单根电极覆盖的区域内，理想的移相量是相同的，因此液晶相控阵的相位延迟分布是台阶状的。但是，在实际器件中，阵元与阵元之间并不是完全隔离的，液晶分子具有连续性，同时相邻电极上产生的电场也会在各个区域相互叠加，具体表现为相邻区域的液晶移相量不会突变，而是以如相对连续和平滑的形式变化着。这就是液晶相控阵中的边缘效应。同时由于在曝光过程中，如果光刻胶与掩膜之间贴合不紧密，掩膜图案边缘处的光刻胶由于衍射作用也会被曝光，从而影响图案的精度，导致被刻蚀的电极宽度和电极间距不均匀。随着电极宽度方差的增大，不仅主瓣功率增大，栅瓣的功率强度也会增大。由于信号功率被分散到了其他级次上，必然会造成主瓣功率的降低。由于理想与实际的差距，边缘效应和工艺误差对于波束控制的影响不可避免。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种液晶微波相控阵天线动态增益的优化方法及系统，通过粒子群算法对采集回来的微波信号进行增益计算并优化液晶相控阵天线的控制电压，再经由波束控制器FPGA将电压转换为电压代码加载在液晶相控阵天线上，通过控制液晶偏转减少液晶边缘效应和工艺误差的影响。

本发明采用的技术方案为：一种液晶微波相控阵天线动态增益的优化方法，所基于的液晶微波相控阵天线增益优化系统，包括：微波发射机、液晶微波相控阵天线、矢量网络分析仪、接收天线、波束控制器FPGA及PC计算机；

所述方法包括以下步骤：

A、微波发射机发出的微波信号经液晶相控阵偏转；

B、接收天线将采集到的经液晶相控阵偏转后的微波信号通过矢量网络分析仪传递给PC计算机；

C、在PC计算机中采用粒子群算法对采集回来的微波信号进行增益计算，并优化液晶相控阵天线的控制电压；

D、通过波束控制器FPGA将步骤C得到的控制电压转换为电压代码加载在液晶相控阵天线上。

步骤C采用矢量网络分析仪采集到的S21参数作为粒子群算法的评价函数，直至所有电极的加载电压满足增益达到最大值。

步骤C的实现过程包括以下分步骤：

C1、上位机和接收方通讯确定信号传输方向偏转角，根据要偏转的角度通过公式θ＝arcsin(Δφλ/2πd)由已知的偏转角θ、阵元间距d计算得出相邻阵元的相位差

从而确定每个阵元所需的相位，由液晶的电压相位特性曲线确定对应相位下每根电极上所需要加载电压值组成电压数组μ_z ⁽¹⁾，同时产生使用随机数生成随机电压Δμ_z ⁽¹⁾；

C2、将μ_z ⁽¹⁾+Δμ_z ⁽¹⁾的值作为一个电压数组，判断电压数组数量是否达到预设数量，是则转至步骤C3；否则返回步骤C1；

C3、将每一个电压数组转换为电压代码，并发送给液晶微波相控阵天线，矢量网络分析仪采集数据并计算S21值；这里采集的数据即微波信号。

C4、确定个体最优电压及其S21值；

C5、确定全局最优电压及其S21值；

C6、分别根据公式

对电压粒子的速度和位置进行优化，从而产生新的粒子(即新电压解)；

C7、如未达到结束条件(通常为最大循环数1000次或最小误差要求0.1dB)，则返回步骤C2，如达到结束条件则结束，则得到全局最优电压和最大S21。

步骤C4具体为：对于每个电压数组，将其S21值与所经历的最优电压Pbest的S21值进行比较，若比个体最优电压的S21大，则将其作为当前的个体最优电压。

步骤C5具体为：对每个电压数组，将其S21值与全部电压数组所经历的最好位置Gbest的S21值进行比较，若比全局最优电压的S21大，则将其作为当前的全局最优电压。

本发明的有益效果：本发明微波发射机发出的微波信号在由液晶相控阵偏转后，由接收天线采集微波信号通过矢量网络分析仪传递给PC计算机，通过粒子群算法对采集回来的微波信号进行增益计算并优化液晶相控阵天线的控制电压，再经由波束控制器FPGA将电压转换为电压代码加载在液晶相控阵天线上，将控制液晶偏转减少液晶边缘效应和工艺误差的影响，保证了液晶相控阵天线性能的提高；并通过矢量网络分析仪进行微波信号的采集，由采集到的S21参数作为粒子群算法的评价函数，直至所有电极的加载电压满足增益达到最大值。本发明设计的增益优化系统和方法能够实现液晶微波相控阵天线增益的高效、快速优化。

附图说明

图1为液晶微波相控阵天线增益优化系统；

图2为液晶微波相控阵天线增益优化系统的数据处理系统框图；

图3为液晶微波相控阵天线增益优化系统的硬件系统框图；

图4为液晶微波相控阵天线增益优化系统的粒子群算法处理流程图；

图5为液晶微波相控阵天线增益优化前方向图；

图6为液晶微波相控阵天线增益优化后方向图；

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。

如图1所示，本发明提供了一种实现液晶微波相控阵天线增益优化的方法及系统，包括微波发射机、液晶微波相控阵天线、矢量网络分析仪、接收天线、波束控制器FPGA及计算机。所述微波发射机发射微波信号，经过波导进行传输到达液晶相控阵天线，相控阵天线将微波信号传输至空间，微波信号在空中传输一段距离后到达接收天线。进入数据采集阶段，通过接收天线采集微波信号的功率信息，将信息传递给PC机。在PC机上进行优化阶段，采用粒子群算法对控制相控阵天线的电压数据进行优化，将优化后的电压数据发送至相控阵天线从而优化天线的增益。

如图2所示，本发明中优化的数据来源于矢量网络分析仪采集的正向传输参数(S21)，通过参数计算液晶微波相控阵天线的增益，从而为粒子群算法的优化提供性能的评价依据。粒子群算法将优化后的电压转换成液晶微波相控阵天线阵列控制器所能识别的电压代码。

数据采集处理流程描述：

在微波信号测量中，微波矢量网络分析仪是一种重要且常用的设备，为了实现闭环优化增益的目的，手工测量微波信号的S21是不可行的，必须要实现矢量网络分析仪的自动数据采集测量和发送。由于微波矢量网络分析仪与示波器等测试仪器一样，是基于通道进行测量的。所以数据采集过程中首先通过GPIB电缆将矢量网络分析仪与电脑连接，然后建立逻辑通道将待测S参数、测量参数、显示参数等对应的指令通过GPIB电缆写入矢量网络分析仪，仪器接收并执行指令后再将测量数据传回PC机上的逻辑通道。测量数据经优化系统处理后显示在PC机屏幕上，传递给粒子群算法模块。

如图3所示，本发明中硬件电路结构中，主要包含三个方面：主控制器，波控器，液晶微波相控阵天线阵列控制器。其中主控制器主要用于系统中逻辑的控制、数据处理、粒子群算法的运行及电压代码的生成。波控器将主控制器生成的电压代码，逐个地加载到液晶阵列控制器中，液晶阵列控制器再将电压代码转换成相应的电压，加载到液晶微波相控阵天线对应的电极上。

如图4所示，为本发明的粒子群算法的执行流程图，包括以下步骤：

(1)根据要偏转的角度计算电压值μ_z ⁽¹⁾，同时产生随机电压Δμ_z ⁽¹⁾；具体的：

上位机和接收方通讯确定信号传输方向偏转角，根据要偏转的角度；通过公式

由已知的偏转角θ、阵元间距d计算得出相邻阵元的相位差

从而确定每个阵元所需的相位，由液晶的电压相位特性曲线确定对应相位下每根电极上所需要加载电压值μ_z ⁽¹⁾，同时产生使用随机数生成随机电压Δμ_z ⁽¹⁾；

(2)将电压值μ_z ⁽¹⁾+Δμ_z ⁽¹⁾作为一个电压数组，判断电压数组数量是否达到预设数量，若否产生下一个电压数组返回步骤(1)；

(3)将每一个电压数组转换为电压代码，并发送给液晶微波相控阵天线，矢量网络分析仪采集数据并计算S21；

(4)对于每个电压数组，将其S21值与所经历的最优电压Pbest的S21值进行比较，若比个体最优电压的S21大，则将其作为当前的个体最优电压；

(5)对每个电压数组，将其S21值与全部电压数组所经历的最好位置Gbest的S21值进行比较，若比全局最优电压的S21大，则将其作为当前的全局最优电压；

(6)根据公式

对电压粒子的速度和位置进行优化，从而产生新的粒子(即新电压解)；

其中，V_i ^(t+1)表示第i组电压数组的第t+1次迭代时的电压改变量；

表示第i组电压数组的第t次迭代时的电压改变量；c₁、c₂表示学习因子，为常数；r₁、r₂表示随机数，介于0到1之间；

表示第i组电压数组的第t次迭代时的电压值；

表示第i组电压数组的第t+1次迭代时的电压值，

表示第i组电压数组的第t次迭代时的最优电压，Gbest^(t)表示第t次迭代时的最好位置。

如未达到结束条件，这里的结束条件为最大循环数或最小误差要求，通常最大循环数为1000次，最小误差要求为0.1dB，则返回step(2)，如达到结束条件则结束，得到最优电压和最大S21。

以目标偏向角为5°为例，由于液晶边缘效应和工艺误差的影响，会导致栅瓣的功率强度也会增大。由于信号功率被分散到了其他级次上，会造成主瓣功率的降低，如图5所示的归一化方向图，大部分栅瓣与主瓣的比值在0.2-0.6之间；如图6所示，经过本发明所述方法优化后比值在0.1-0.3之间，对于栅瓣的抑制效果显著。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。

Claims (1)

1.一种液晶微波相控阵天线动态增益的优化方法，所基于的液晶微波相控阵天线增益优化系统，包括：微波发射机、液晶微波相控阵天线、矢量网络分析仪、接收天线、波束控制器FPGA及PC计算机；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、微波发射机发出的微波信号经液晶相控阵偏转；

B、接收天线将采集到的经液晶相控阵偏转后的微波信号通过矢量网络分析仪传递给PC计算机；

C、在PC计算机中采用粒子群算法对采集回来的微波信号进行增益计算，并优化液晶相控阵天线的控制电压；步骤C采用矢量网络分析仪采集到的S21参数作为粒子群算法的评价函数，直至所有电极的加载电压满足增益达到最大值；步骤C的实现过程包括以下分步骤：

C1、上位机和接收方通讯确定信号传输方向偏转角，根据要偏转的角度通过公式

由已知的偏转角θ、阵元间距d计算得出相邻阵元的相位差

从而确定每个阵元所需的相位，由液晶的电压相位特性曲线确定对应相位下每根电极上所需要加载电压值组成电压数组μ_z ⁽¹⁾，同时产生使用随机数生成随机电压△μ_z ⁽¹⁾；

C2、将μ_z ⁽¹⁾+△μ_z ⁽¹⁾的值作为一个电压数组，判断电压数组数量是否达到预设数量，是则转至步骤C3；否则返回步骤C1；

C3、将每一个电压数组转换为电压代码，并发送给液晶微波相控阵天线，矢量网络分析仪采集数据并计算S21值；

C4、确定个体最优电压及其S21值；步骤C4具体为：对于每个电压数组，将其S21值与所经历的最优电压Pbest的S21值进行比较，若比个体最优电压的S21大，则将其作为当前的个体最优电压；

C5、确定全局最优电压及其S21值；步骤C5具体为：对每个电压数组，将其S21值与全部电压数组所经历的最好位置Gbest的S21值进行比较，若比全局最优电压的S21大，则将其作为当前的全局最优电压；

C6、对电压粒子的速度和位置进行优化，从而产生新的粒子；步骤C6具体为：分别根据公式

对电压粒子的速度和位置进行优化，从而产生新的粒子；

其中，V_i ^(t+1)表示第i组电压数组的第t+1次迭代时的电压改变量；

表示第i组电压数组的第t次迭代时的电压改变量；c₁、c₂表示学习因子，为常数；r₁、r₂表示随机数，介于0到1之间；

表示第i组电压数组的第t次迭代时的电压值；

表示第i组电压数组的第t+1次迭代时的电压值，

表示第i组电压数组的第t次迭代时的最优电压，Gbest^(t)表示第t次迭代时的最好位置；

C7、如未达到结束条件，则返回步骤C2，如达到结束条件则结束，则得到全局最优电压和最大S21；步骤C7所述的结束条件，具体为：迭代次数打到最大循环数，或迭代结果满足最小误差要求；

D、通过波束控制器FPGA将步骤C得到的控制电压转换为电压代码加载在液晶相控阵天线上。

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