CN111767645A - 一种阵列天线的波束赋形方法及阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了的一种阵列天线的波束赋形方法及阵列天线，通过先确定指定区域内阵列天线的波束赋形设计目标及约束条件，并根据设计目标及约束条件确定波束赋形天线模型及优化参数，利用优化算法对所述波束赋形天线模型中各个阵列天线单元的幅度和相位进行迭代优化，直至迭代优化输出的各个阵列天线单元的幅度和相位输入HFSS仿真模型后，输出的天线方向图满足设计目标。本实施例所公开的方法采用幅度相位波束赋形实现超大电下倾角下垂直方向上的高滚降系数的宽波束作为内区天线，实现HAPs附近的覆盖，解决传统地面基站天线所存在的塔下黑问题。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及的是一种阵列天线的波束赋形方法及阵列天线。
背景技术
高空平台(HAPS：High Altitude Platform Station)通信系统作为海洋立体通信项目立体性的主要体现和重要组成部分，为海洋等非地面环境提供公众网络服务。
由于传统地面基站天线采用多扇区覆盖的方式当天线高度高达20km时，“塔下黑”的现象加重，导致HAPs附近出现覆盖空洞，因此无法满足与地面通信系统无缝切换的覆盖需求。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种阵列天线的波束赋形方法及阵列天线，以解决现有技术中的地面基站天线所存在的塔下黑的问题。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本实施例提供了一种阵列天线的波束赋形方法，其中，包括：
确定指定区域内阵列天线的波束赋形设计目标及约束条件，并根据所述波束赋形设计目标及约束条件构建优化问题；
根据所述优化问题确定波束赋形天线模型及优化参数；
利用优化算法对所述波束赋形天线模型中优化参数进行迭代优化，直至迭代优化后输出的优化参数输入至HFSS仿真模型后，得到的天线方向图与所述波束赋形设计目标对比满足波束赋形设计目标。
可选的，所述优化参数为各个阵列天线单元的幅度和相位。
可选的，所述利用优化算法对所述波束赋形天线模型中优化参数进行迭代优化，直至迭代优化后输出的优化参数输入至HFSS仿真模型后，得到的天线方向图与所述波束赋形设计目标对比满足波束赋形设计目标的步骤包括：
利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化；
将优化出的所述幅度和相位输入HFSS仿真软件中的HFSS仿真模型；
判断HFSS仿真模型输出的天线方向图是否满足所述波束赋形设计目标；
若不满足，则计算所述HFSS仿真模型输出的天线方向图中主瓣和副瓣的影响权值，并根据所述影响权值调整所述优化算法中与所述的主瓣和副瓣相对应的系数权值；
根据调整后的所述系数权值，重复利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化，直至判断出HFSS仿真模型输出的天线方向图满足所述波束赋形设计目标。
可选的，所述判断仿真出的天线方向图是否满足设计目标的步骤包括：
判断水平、垂直方向半功率波束宽度差异是否在预设角度范围内，指定角度的下副瓣电平低于预设第一电平阈值，上副瓣电平低于预设第二电平阈值。
可选的，所述根据所述阵列天线参数确定波束赋形设计目标及约束条件步骤包括：
根据指定区域内阵列天线的水平、垂直方向半功率波束宽度、天线下倾角、下副瓣角度及其电平和上副瓣电平，确定波束赋形设计目标及约束条件。
可选的，所述优化问题的函数表达式为：
min||f(α，θ)-Ftarget||2
θ∈θ3dB；
其中，α，θ分别为波束赋形天线方向图的幅度和俯仰角，αi和αj为阵列天线中的任意两个不同阵列天线单元的幅度，θi为阵列天线中任意阵列天线单元的相位,d为阵列天线中天线单元之间的间距，k为波数，N为阵列天线中单元的个数，θ3dB为垂直方向半功率波瓣宽度，N为正整数。
可选的，所述优化算法为遗传算法、粒子群优化算法或者基于遗传算法和粒子群优化算法的混合优化算法。
可选的，确定出的波束赋形设计目标及约束条件为：
其中，θ为天线的俯仰角。
第二方面，本实施例公开了一种阵列天线，其中，利用所述的阵列天线的波束赋形方法进行波束赋形。
有益效果，本发明所提供的一种阵列天线的波束赋形方法及阵列天线，通过天线阵列参数，将所述天线阵列参数代入所述波束赋形天线模型,利用所述优化算法对所述波束赋形天线模型中各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化迭代，并输出各个阵列天线单元的幅度和相位的优化迭代结果,根据输出的所述优化迭代结果对天线的波束进行赋形。本实施例所公开的方法采用幅度相位波束赋形实现超大电下倾角下垂直方向上的高滚降系数的宽波束作为内区天线，实现HAPs附近的覆盖，解决传统地面基站天线所存在的塔下黑问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
图1是本实施例中所述阵列天线的波束赋形方法的步骤示意图；
图2是本实施例中所述波束赋形模型的立体图；
图3是本实施例中所述波束赋形模型的俯视图；
图4是本实施例中所述方法具体应用实施例的步骤流程图；
图5是本实施例中优化算法对天线单元的幅度和相位优化后得到的阵列天线波束赋形方向图；
图6是本实施例中幅度相位关系带入HFSS仿真模型，输出的天线方向图的仿真图；
图7是本实施例中调整优化算法的权值后，迭代优化后得到的天线单元的幅度和相位的波形示意图；
图8是本实施例中HFSS仿真结果满足波束赋形设计目标的仿真图。
具体实施方式
本发明提供一种，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在实施方式和申请专利范围中，除非文中对于冠词有特别限定，否则“一”与“所述”可泛指单一个或复数个。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
发明人发现传统地面基站天线采用多扇区覆盖的方式，当天线高度高达20km时，塔下黑的现象加重，导致HAPs附近出现覆盖空洞，而出现覆盖空洞的区域因为辐射信号弱，无法实现正常的通信连接，因此需要设计特殊赋形天线已达成满足HAPs特性的广域且与地面通信系统无缝切换的覆盖。
为了克服现有技术中出现的上述问题，本实施例提供了一种阵列天线的波束赋形方法及阵列天线，采用幅度相位波束赋形实现超大电下倾角下垂直方向上的高滚降系数的宽波束作为内区天线，实现HAPs附近的覆盖，解决传统地面基站天线所存在的塔下黑问题。
具体的，本实施例中首先建立创建波束赋形天线模型，将各个天线单元的幅度和相位优化问题设计成目标函数的最优解的求解问题，利用优化算法对该优化问题进行迭代优化，并根据优化结果实现天线方向图的设计目标，从而得到各个天线单元的幅度和相位。具体的，所述优化算法可以使用遗传算法、粒子群优化算法或者是遗传算法和粒子群优化算法组成的混合算法，本实施例中，为了获取到更好的优化效果，使用基于遗传算法和粒子群优化算法组成的混合算法。
下面结合本发明实施例的方法和附图对本发明所述方法做进一步的解析。
本实施例提供了一种阵列天线的波束赋形方法，如图1所述，包括：
步骤S1、确定指定区域内阵列天线的波束赋形设计目标及约束条件，并根据所述波束赋形设计目标及约束条件构建优化问题。
本步骤中首先确定指定区域内阵列天线的波束赋形设计目标及约束条件。本实施例中面对的指定区域为非地面环境包括但不限于海洋环境、沙漠、森林等区域，这些区域具体的，为了针对不同的区域情况设计出相匹配的阵列天线的波束赋形，本步骤包括：
根据指定区域内阵列天线的水平、垂直方向半功率波束宽度、天线下倾角、下副瓣角度及其电平和上副瓣电平中的一种或多种确定波束赋形设计目标及约束条件。
在一种实施方式中，根据天线下倾角确定出阵列天线的波束赋形设计目标及约束条件，确定出的波束赋形设计目标及约束条件为：
其中，θ为天线的俯仰角。
根据所述波束赋形设计目标及约束条件构建优化问题，具体的，所述优化问题对应的函数表达式为：
min||f(α，θ)-Ftarget||2
θ∈θ3dB
其中，α，θ分别为波束赋形天线方向图的幅度和俯仰角，αi和αj为阵列天线中的任意两个不同阵列天线单元的幅度，θi为阵列天线中任意阵列天线单元的相位,d为阵列天线中天线单元之间的间距，k为波数，N为阵列天线中单元的个数，θ3dB为垂直方向半功率波瓣宽度。
步骤S2、根据所述优化问题确定波束赋形天线模型及优化参数。
结合图2和图3所示，本步骤中采用幅度相位波束赋形对均匀同轴±45°双极化5单元天线阵列模型赋形实现超大电下倾角下垂直方向上的高滚降系数的宽波束作为内区天线，解决了现有技术中的地面基站天线在HAPs应用场景中所存在的“塔下黑”问题。
步骤S3、利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的优化参数进行迭代优化，直至迭代优化后得到的优化参数输入至HFSS仿真模型后，输出的天线方向图与满足波束赋形设计目标。
利用优化算法对波束赋形天线模型中的优化参数进行迭代优化，并将每次优化出的优化参数，输入至HFSS仿真模型，通过所述HFSS仿真模型得到根据输入的优化参数仿真出的天线方向图，并将仿真出的天线方向图与所述波束赋形设计目标相比较，判断是否满足波束赋形设计目标，若满足，则优化完成，若不满足，则重复利用优化算法对优化参数进行迭代优化，直至得到的优化参数仿真出的天线方向图满足波束赋形设计目标。
在一种实施方式中，所述优化参数为各个阵列天线单元的幅度和相位。
所述利用优化算法对所述波束赋形天线模型中优化参数进行迭代优化，直至迭代优化后输出的优化参数输入至HFSS仿真模型后，得到的天线方向图与所述波束赋形设计目标对比满足波束赋形设计目标的步骤包括：
利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化；
将优化出的所述幅度和相位输入HFSS仿真软件中的HFSS仿真模型；
判断HFSS仿真模型输出的天线方向图是否满足所述波束赋形设计目标；
若不满足，则计算所述HFSS仿真模型输出的天线方向图中主瓣和副瓣的影响权值，并根据所述影响权值调整所述优化算法中与所述主瓣和副瓣相对应的权值；
根据调整后的所述系统权值，重复利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化，直至判断出HFSS仿真模型输出的天线方向图满足所述波束赋形设计目标。
所述判断仿真出的天线方向图是否满足设计目标的步骤包括：
判断水平、垂直方向半功率波束宽度差异是否在预设角度范围内，指定角度的下副瓣电平低于预设第一电平阈值，上副瓣电平低于预设第二电平阈值。
所述优化算法为基于遗传算法和粒子群优化算法的混合优化算法。本实施例中使用的优化算法为基于遗传算法和粒子群优化算法组成的混合优化算法，通过将遗传算法和粒子群优化算法相结合，从而实现更佳的对天线赋形模型中各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化效果。
下面结合图4至图8本发明所述的方法的具体应用实施例对本发明所述方法做进一步的解析。
在具体实施时，确定内区天线波束设计目标函数以及所要优化的参数；本实施例中所要优化的参数为各个阵列天线单元的幅度和相位。
天线波束设计目标函数的参数包括水平、垂直方向半功率波束宽度；下副瓣角度以及电平；上副瓣电平。
本发明所述的波束赋形天线模型为均匀同轴±45°双极化5单元天线线阵，通常是先方式为±45°双线性极化的天线单元，包括但不限于偶极子天线，Patch天线，缝隙耦合天线；天线物理实现方式包括但不限于PCB板级、板级振子、塑料振子等。
将所述目标函数转化为优化问题，并将所述波束赋形天线模型带入MATLAB所设计的优化算法即基于遗传算法的粒子群优化并输出优化结果；如图4为优化结果示意图，具体的，优化结果为每个天线单元的幅度和相位。如图5所示是遗传算法优化后，得到的阵列天线波束赋形方向图。将优化结果带入HFSS仿真软件，得到所述HFSS仿真软件输出的真实天线模型的天线方向图，如图6所示，根据所述天线方向图判断参数是否满足设计目标。
具体的，在一种实施方式中，判断是否满足设计目标的判断依据为水平、垂直方向半功率波束宽度差异在±2°范围内；指定角度的下副瓣电平低于目标电平；上副瓣电平低于目标电平。
若不满足要求，则计算主瓣和副瓣影响权值带回算法调整优化算法中与所述主瓣和副瓣相对应的权值，并再次迭代，直至满足波束赋形的设计目标；如图7所示是基于优化算法多次迭代优化后，得到的阵列天线波束赋形方向图，图8所示基于优化算法对优化参数多次迭代优化后，利用HFSS仿真模型仿真得到的满足波束赋形目标设计的天线方向图。
具体的，当判定出仿真出的天线方向图不满足设计要求后，为了得到更准确的优化参数，一种实施方式中，还使用HFSS模型对优化结果进行评估，并判断优化参数在实际模型中对波束主瓣和副瓣的影响权值，并带回遗传算法调整相关权值，再次迭代直至满足设计目标。
本实施例公开的波束赋形方法将天线幅相赋形过程采用优化算法(遗传算法或粒子群优化算法或者使用遗传算法与粒子群优化算法组成的混合算法)求解优化问题并将实际模型中主瓣和副瓣的影响权值带回优化算法中迭代，将实际模型中对优化结果的影响因素综合为主瓣和副瓣的影响权值并在算法设计中加以考虑，从而提高优化结果在实际模型中的适用性。本发明公开的波束赋形方法适用于特定宽波束，可用于5G超密集覆盖场景。
本实施例在提出了一种阵列天线的波束赋形方法的基础上，还公开了一种阵列天线，所述阵列天线利用所述的阵列天线的波束赋形方法进行波束赋形方法。
由于本实施例公开的阵列天线采用本实施例所提供的方法进行波束赋形，从而可以获取到较佳的波束赋形效果，可以克服传统地面基站天线所存在的塔下黑问题，实现与地面通信系统的无缝切换覆盖，使得非地面环境的区域同样可以获取到较佳的通信效果。
本实施例提供的所述方法及阵列天线适用于为非地面环境包括但不限于海洋环境、沙漠、森林等或紧急救灾防疫等公共应急事件提供均匀广域(覆盖半径>100km)无缝无线覆盖的高空基站系统(简称为HAPs)，且能与传统地面通信网络无缝连接从而形成有效补充。本发明公开的阵列天线的波束赋形方法适用于特定宽波束，可用于5G超密集覆盖场景。
本发明所提供的一种阵列天线的波束赋形方法及阵列天线，通过收集天线阵列参数，将所述天线阵列参数代入所述波束赋形天线模型,利用所述优化算法对所述波束赋形天线模型中各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化迭代，并输出各个阵列天线单元的幅度和相位的优化迭代结果,根据输出的所述优化迭代结果对天线的波束进行赋形。本实施例所公开的方法采用幅度相位波束赋形实现超大电下倾角下垂直方向上的高滚降系数的宽波束作为内区天线，实现HAPs附近的覆盖，解决传统地面基站天线所存在的塔下黑问题。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种阵列天线的波束赋形方法，其特征在于，包括：
确定指定区域内阵列天线的波束赋形设计目标及约束条件，并根据所述波束赋形设计目标及约束条件构建优化问题；
根据所述优化问题确定波束赋形天线模型及优化参数；
利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的优化参数进行迭代优化，直至迭代优化后得到的优化参数输入至HFSS仿真模型后，输出的天线方向图与满足波束赋形设计目标。
2.根据权利要求1所述的阵列天线的波束赋形方法，其特征在于，所述优化参数为各个阵列天线单元的幅度和相位。
3.根据权利要求2所述的阵列天线的波束赋形方法，其特征在于，所述利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的优化参数进行迭代优化，直至迭代优化后得到的优化参数输入至HFSS仿真模型后，输出的天线方向图与满足波束赋形设计目标的步骤包括：
利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化；
将优化出的所述幅度和相位输入HFSS仿真软件中的HFSS仿真模型；
判断HFSS仿真模型输出的天线方向图是否满足所述波束赋形设计目标；
若不满足，则计算所述HFSS仿真模型输出的天线方向图中主瓣和副瓣的影响权值，并根据所述影响权值调整所述优化算法中与所述的主瓣和副瓣相对应的系数权值；
根据调整后的所述系数权值，重复利用优化算法对所述波束赋形天线模型中的各个阵列天线单元的幅度和相位进行优化的步骤，直至判断出HFSS仿真模型输出的天线方向图满足所述波束赋形设计目标。
4.根据权利要求3所述的阵列天线的波束赋形方法，其特征在于，所述判断HFSS仿真模型输出的天线方向图是否满足所述波束赋形设计目标的步骤包括：
判断水平、垂直方向半功率波束宽度差异是否在预设角度范围内，指定角度的下副瓣电平低于预设第一电平阈值，上副瓣电平低于预设第二电平阈值。
5.根据权利要求1-4任一项所述的阵列天线的波束赋形方法，其特征在于，所述确定指定区域内阵列天线的波束赋形设计目标及约束条件的步骤包括：
根据指定区域内阵列天线的水平、垂直方向半功率波束宽度、天线下倾角、下副瓣角度及其电平和上副瓣电平，确定波束赋形设计目标及约束条件。
6.根据权利要求5所述的阵列天线的波束赋形方法，其特征在于，所述优化问题的函数表达式为：
min||f(α，θ)-Ftarget||2
θ∈θ3dB
其中，α，θ分别为波束赋形天线方向图的幅度和俯仰角，αi和αj为阵列天线中的任意两个不同阵列天线单元的幅度，θi为阵列天线中任意阵列天线单元的相位,d为阵列天线中天线单元之间的间距，k为波数，N为阵列天线中单元的个数，θ3dB为垂直方向半功率波瓣宽度，N为正整数。
7.根据权利要求1-4任一项所述的阵列天线的波束赋形方法，其特征在于，所述优化算法为遗传算法、粒子群优化算法或者基于遗传算法和粒子群优化算法的混合优化算法。
8.根据权利要求1-4任一项所述的阵列天线的波束赋形方法，其特征在于，确定出的波束赋形设计目标及约束条件为：
其中，θ为天线的俯仰角。
9.一种阵列天线，其特征在于，利用如权利要求1-8任一项所述的阵列天线的波束赋形方法进行波束赋形。
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