CN111710962A - 一种可重构对抗神经网络的合成的天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可重构对抗神经网络的合成天线设计系统和方法，该系统包括可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统。本发明的有益效果：本发明通过设计精确的对抗网络载波相位加载，使得降低互耦性，增强阵列天线的优势，通过精确加载合成相位，使得被激励天线单元的输入阻抗满足匹配要求，阵元的输入阻抗也将会随着波束扫描而发生改变，使得天线的辐射效率增加，可调节的波束，通过波束合成设计，天线阵列方向图旁瓣也会随之提高，增益增强，降低天线阵列的极化特性，一些对极化要求很高的引用场景，如卫星、室内定位等，带来增强效果。

Description

一种可重构对抗神经网络的合成的天线
技术领域
本发明属于可重构对抗神经网络的合成天线设计方法技术领域，特别涉及一种可重构对抗神经网络的合成天线设计系统及方法。
背景技术
在十九世纪七十年代，Maxwell提出了具有历史意义的麦克斯韦方程组，这一方程组的提出成为了电磁波理论的基础。到19世纪80年代德国物理学家赫兹设计出人类世界的第一副天线，由此推动了电磁波理论的发展，人类走进了无线电的时代。经过之后的两次世界大战，天线的应用领域越来越广泛，新世界的发展也越来越离不开天线。天线作为一种转换装置，它将电路中的高频电流能量和空间的电磁波能量进行转换，向周围辐射或者接收能量，而且天线工作性能的优劣对无线通信也有着直接影响，因此天线成为通信系统中非常重要的部。液态金属对于电磁波的调控原理应用方向伴随人类的科技文明的发展，天线理论也在不断的完善，天线的结构、类型也变得非常丰富。近些年来，随着无线通讯技术的不断发展，网络的用户数量和需求剧增，于是多功能综合通讯平台成为必然趋势。平台为实现比较复杂的功能，就需要多个天线的支持。然而多个天线工作在同一平台，必然会出现各个天线之间的电磁干扰、电磁兼容性变差、系统的成本会增加、重量变大等一系列问题。
从sub-6GHz需要覆盖的频率范围方面讲，3GPP刚刚公布了3.3-4.2GHz(也即频段N77)将作为5G的一个主要频段之一。各国可以根据具体情况在上述频段中选取各自要使用的具体5G频段，比如，韩国将使用3.4-3.6GHz频段，日本将使用3.6-4.2GHz频段，欧盟将使用3.4-3.8GHz频段。到目前为止，虽然存在很多8x8MIMO的天线设计，大多数都是只能覆盖一个或两个5G的频段。可重构天线相当于多个天线的集合，天线能够根据要求来调整自身的电性能，如频率范围、极化方式和方向图形状等等。可重构天线的出现使得通讯平台的天线数目大大下降，有效的解决了之前的一些问题。这种具有多种功能、高效率和高可靠性的可重构天线，非常适合于多输入多输出(MIMO)无线通信技术以及需要高度灵活的场合中，这种天线在未来会有更大的发展空间。
而传统固态天线由于其“开关”的作用难以实现连续谐调，而且可重构方式比较单一，如果对固态材料的“开关”施加外力，容易出现折断、疲劳、弯曲等机械损伤。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于对抗网络的液态金属的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统及设计方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：
一种基于液态金属的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，包括可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统。
作为优选，所述束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统由核心控制器，FPGA数字相位管理与决策模块，相位信息数据库，液态金属馈电相位计算模块，天线阵控制模块构成。
作为优选，所述合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载由对抗神经网络管理模块、核心处理器、相位决策模块、相位计算模块、相位控制模块、基带相位调制模块、发射控制模块、载波控制模块以液态天线波束合成阵的相位扫描模块构成。
作为优选，所述可重构液态金属天线系统由液态金属天线阵列、若干射频单元、若干数/模转换模块以及基于FPGA的数字调相器构成。
作为优选，所述可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统内的天线自身兼具流动特性以及金属特性，所采用的液态金属为镓铟合金。
作为优选，所述可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统所采用的驱动方式是基于表面张力的电压控制技术，通过控制液态金属两端电压使其表面张力发生变化。
作为优选，所述可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统中的天线阵提供阵元间的相位差由液态金属的长度决定，且所述可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统中的液态金属的长度均可调节。
作为优选，所述可重构液态金属天线系统内天线均采用的是均匀直线阵，且各阵元电流幅度相等，相位依次等量递减的直线阵。
本发明另一方面提供了一种基于液态金属的可重构对抗神经网络的合成天线设计方法，利用上述设计系统来执行。
本发明另一方面还提供一种基于液态金属的可重构对抗神经网络的合成天线，由上述方法制备。
本发明的有益效果：
本发明通过设计精确的载波相位加载，使得降低互耦性，增强阵列天线的优势，通过精确加载合成相位，使得被激励天线单元的输入阻抗满足匹配要求，阵元的输入阻抗也将会随着波束扫描而发生改变，使得天线的辐射效率增加，可调节的波束，通过波束合成设计，天线阵列方向图旁瓣也会随之提高，增益增强，降低天线阵列的极化特性，一些对极化要求很高的引用场景，如卫星、室内定位等，带来增强效果。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
图1为本发明的可重构液态金属天线系统；
图2为本发明的合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统；
图3为本发明的馈电端口的合成相位加载系统；
图4为本发明的通过对抗神经网络建立相位合成加载系统的流程图；
图5为本发明的基于FPGA的对抗网络合成相位加载系统工作示意图。
具体实施方式
如图1-图5所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种基于液态金属的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，包括可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统。
其中，所述束液态天线的对抗神经网络的主瓣相位扫描控制加载系统由核心控制器，FPGA数字相位管理与决策模块，精确对抗网络输出相位信息数据库，液态金属馈电相位计算模块，天线阵控制模块构成。
其中，所述合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载由数据库管理模块、核心处理器、相位决策模块、相位计算模块、相位控制模块、基带相位调制模块、发射控制模块、载波控制模块以液态天线波束合成阵的相位扫描模块构成。
其中，所述可重构液态金属天线系统由液态金属天线阵列、若干射频单元、若干数/模转换模块以及基于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的数字调相器构成。
其中，所述可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统内的天线自身兼具流动特性以及金属特性，所采用的液态金属为镓铟合金，优化液态金属天线的结构。
其中，所述可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统所采用的驱动方式是基于表面张力的电压控制技术，通过控制液态金属两端电压使其表面张力发生变化，便于驱动液态金属使其流动。
其中，所述可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统中的天线阵提供阵元间的相位差由液态金属的长度决定，且所述可重构液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统中的液态金属的长度均可调节，实现更有效的主瓣，压制副瓣效应，提高天线的性能。
为了提升设计天线的性能，如提供更有效的主瓣，压制副瓣效应，本发明同时采用基于对抗神经网络的相控阵理论，通过相控阵网络控制液态金属的长度为天线阵提供阵元间的相位差，由于天线阵自身参数的矛盾，采用对抗神经网络的生成与对抗，建立即扫描角与阵元间距的关系，为缩短阵元间距，增加天线阵扫描角度，本发明也引入引向器和反射器，可以大幅提天线合成波束的方向性。此外，为了解决阵元间距的缩小，带来了阵元间的耦合问题，本发明采用液态金属的馈电链路完成设计。
其中，所述可重构液态金属天线系统内天线均采用的是均匀直线阵，且各阵元电流幅度相等，相位依次通过对抗神经网络形成的直线阵，在均匀直线阵中，当阵列单元的距离比较大时，在可见区就容易有同主瓣一样大的波瓣，这些波瓣为栅瓣，会对主瓣造成干扰，会平分原本主瓣所得的能量；当阵元间距过小时，阵元之间的耦合严重，会出现大量辐射能量储存在阵面附近的感应电场的现象。在天线阵列中，必须选取恰当的相位加载参数，才能使阵列性能良好。
具体的，基于数字相控的可重构液态金属天线的如图1所示，可以通过数字控制器FPGA来完成引向器与反射器的长度保持不变的情况下控制两者的位移，当两者相对位移发生变化时，与之相对应的主瓣辐射方向会随之改变，另外加上天线阵元间的相位差，可以实现波束扫描的功能，基于液态金属的电磁带隙结构的引入，使得阵元天线波束控制参数的变化在一定可控的范围内，能够满足天线的要求。数字器件通过加载合成相位来精确控制天线馈线网络的长度，为两个天线提供可变相位差。同时，参考图2，当引向器反射器的相对位置发生变化导致驻波系数发生改变时，馈电网络可以通过微小调整，用于确保两个天线的驻波比，当合成相位不同时各个天线在不同频率的端口电流相位是不同的，并且不同波束合成的两端口电流相位差依次减小，根据不同馈线网络的不同，可以提供不同相位差，由此验证了天线波束合成理论，引向器、反射器的移动距离以加载的载波合成为标准，并且根据天线阵与天线理论，不同液态金属的天线阵子相位差与引向器反射器位置共同作用，可以实现天线阵的合成波束的主瓣方向图扫描功能。
天线不同状态的馈电端口的合成相位加载如图3所示，可以看出，馈线网络端口天线通过数字器件的合成加载，满足合成波束天线阵列要求，此外，通过精确计算数字加载的相位差，使得馈线网络两端口驻波系数的变化都能满足驻波系数要求，进而保证天线实现工作未出现剧烈变化，能够满足实时重构液态金属天线的要求。
图4显示了本发明实施例提供的通过对抗神经网络建立相位合成加载系统的流程图，图5显示了基于FPGA的对抗网络合成相位加载系统工作示意图。
本发明通过设计精确的载波相位加载，使得降低互耦性，增强阵列天线的优势，通过精确加载合成相位，使得被激励天线单元的输入阻抗满足匹配要求，阵元的输入阻抗也将会随着波束扫描而发生改变，使得天线的辐射效率增加，可调节的波束，通过波束合成设计，天线阵列方向图旁瓣也会随之提高，增益增强，降低天线阵列的极化特性，一些对极化要求很高的引用场景，如卫星、室内定位等，带来增强效果。
本发明实施例还涉及液态金属的对抗神经网络的可重构天线，其由以上制备方法值得。该液态金属可重构天线有以下优势：1.传统固态天线由于其“开关”的作用难以实现连续谐调，而且可重构方式比较单一，而液态金属由于其液体特点，可以根据工作需求改变形状、尺寸等，其可重构范围更广；2.如果对固态材料的“开关”施加外力，容易出现折断、疲劳、弯曲等机械损伤，液态金属由于其流动状态则具有较强的自我修复特性；3.当液态金属天线处于工作状态时，填充液态金属，而当液态金属天线处于非工作状态时，可以将液态金属抽出，此时可以大大降低天线的雷达散射截面。
另一方面，液态金属可重构天线与同为液体天线的水天线相比较，还具有以下优点：1.、从介电常数来看，水的介电常数较高，发明的液态金属天线的效率较低，而液态金属由于其金属特性不会出现这样的问题。此外本发明采用相控的波束合成天线阵列，结合液态金属特征，具备更优的主瓣增强以及旁瓣抑制特性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，其特征在于，包括可重构液态金属天线系统、对抗神经网络合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统。
2.根据权利要求1所述的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，其特征在于：所述液态天线的主瓣相位扫描通过神经网络形成最优权值矩阵，建立与之对应的最优网络数字加权，
所述束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统由核心控制器，FPGA数字相位管理与决策模块，相位信息数据库，液态金属馈电相位计算模块，天线阵控制模块构成。
3.根据权利要求1所述的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，其特征在于：所述合成波束液态天线的合成相位通过神经网络的预先训练加载相位形成粗估计，进而形成误差矩阵递归，从而完成矩阵的递归加载，所述合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载由对抗神经网络模块、核心处理器、相位决策模块、相位计算模块、相位控制模块、基带相位调制模块、发射控制模块、载波控制模块以液态天线波束合成阵的相位扫描模块构成。
4.根据权利要求1所述的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，其特征在于：所述可重构对抗神经网络的液态金属天线系统由液态金属天线阵列、若干射频单元、若干数/模转换模块以及基于FPGA的数字调相器构成。
5.根据权利要求1所述的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，其特征在于：所述可重构液态金属天线系统、所通过对抗神经网络合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载对抗神经网络相位系统以及馈电端口的合成相位加载系统内的天线自身兼具流动特性以及金属特性，所采用的液态金属为镓铟合金。
6.根据权利要求1所述的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，其特征在于：所述可重构液态金属天线系统、对抗网络合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统所采用的驱动方式是基于合成相位的表面张力的电压控制技术，通过控制液态金属两端电压使其表面张力发生变化。
7.根据权利要求1所述的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，其特征在于：所述可重构对抗神经网络的液态金属天线系统、合成波束液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统中的天线阵提供阵元间的相位差由液态金属的长度决定，且所述可重构对抗神经网络的液态金属天线系统、液态天线的主瓣相位扫描控制加载系统以及馈电端口的合成相位加载系统中的液态金属的长度均可调节。
8.根据权利要求1所述的可重构对抗神经网络的合成天线设计系统，其特征在于：所述可重构液态金属天线系统内天线均采用的是均匀直线阵，且各阵元电流幅度相等，相位依次等量递减的直线阵。
9.一种可重构对抗神经网络的合成天线设计方法，利用根据权利要求1-8中任一项所述的系统来执行。
10.一种可重构对抗神经网络的合成的天线，通过根据权利要求9所述的方法来制备。
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