CN111783301B - 一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法，其为一种可增强散射信号强度并实现散射场波束赋形的通信系统散射场天线阵设计方法，此设计可用于散射通信系统以提高通信性能如扩大通信半径、抗干扰。其特征在于，基于三维空间的几何特征和天线阵的特性提出了一种可在三维空间内实现任意方向波束赋形的设计方法；采用了MATLAB和HFSS进行联合设计仿真，HFSS建立散射通信系统天线阵模型，且将散射通信系统天线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量，MATLAB通过采用差分进化算法与HFSS进行联合计算出最优阵元天线间距。在本发明中，通过在MATLAB上采用差分进化算法与HFSS进行联合计算，可以使得散射通信系统天线阵中的天线散射方向集中。
Description
技术领域
本发明属于散射通信领域，特别涉及一种散射通信系统天线阵。
背景技术
物联网(The Internet of Things，简称IOT)是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。
而下一代物联网(IoT)设想了一个在人类、机器与物体之间存在着由普遍、廉价和低速率的无线通信技术所连接的世界。而实现该设想中时，能源消耗是目前限制物联网应用的最主要问题，而无源反向散射技术则为解决该问题所提出的应对方案。
现有的无源反向散射系统，如无源RFID系统、Wi-Fi反向散射系统、TV反向散射系统和FM反向散射系统以及LoRa反向散射系统，这些无源反向散射系统都很好的解决了能源消耗这一关键问题，但它们在通信距离上都有很大的局限性，实际应用部署还有很大的困难，且现有的无源反向散射系统为全向散射，在进行散射通信时会对通频段内的其他所有通信进行干扰。
发明内容
为了实现上述问题，本发明的目的在于提供一种可扩展散射通信半径，减少对其他同频段通信的干扰的散射通信系统天线阵设计方法。
本发明的另一个目的在于提供一种在低功耗或无源的散射通信系统中提升散射距离的抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明提供一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法，其特征在于，基于三维空间的几何特征和天线阵的特性提出了一种可在三维空间内实现任意方向波束赋形的设计方法；该设计方法具体采用了MATLAB和HFSS进行联合设计仿真，HFSS建立散射通信系统天线阵模型，且将散射通信系统天线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量，MATLAB通过采用差分进化算法与HFSS进行联合计算出最优阵元天线间距；最后，所提天线阵在真实环境中进行了室内室外测试并得到实际部署。本发明提供一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法，其为一种可增强散射信号强度的通信系统散射场天线阵设计方法，此设计可用于散射通信系统以提高通信性能如扩大通信半径、抗干扰。通过在MATLAB上采用差分进化算法与HFSS进行联合计算，可以使得散射通信系统天线阵中的天线散射方向集中，不仅提升了传统反向散射通信的距离；且因为可以使得方向集中，实现定向传输数据，不会影响到其他信道，可以减少对其他同频段通信的干扰，同时提升通信的安全性，使其他监听设备接收到数据的概率大大降低。
进一步的，MATLAB复数次打开多组HFSS进行快速仿真计算，从复数次仿真计算中选择最优阵元天线间距。
进一步的，该设计方法的步骤为：
S1，创建天线阵模型，用HFSS建立散射通信系统天线阵模型，将散射通信系统天线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量；具体的,可用HFSS建立3D散射通信系统天线阵模型，并在x、y、z三个轴上分别建立天线阵元。
S2，导出散射方向图，使用MATLAB的多线程功能控制同时打开多组HFSS对一代多组天线间距进行快速仿真，从复数次仿真计算中选择最优阵元天线间距，导出对应多组天线间距的多组散射通信系统天线阵的散射方向图；具体的，当用HFSS建立3D散射通信系统天线阵模型时，散射方向图为3D散射方向图。
S3，计算适应度值，MATLAB根据散射通信系统天线阵的多组散射方向图计算多组适应度值，并选择保留当代多组适应度值中的最优值；
S4，判断适应度值，判断当代多组适应度值中的最优值是否存在达到需求，若满足需求，则输出满足需求时的最优值对应的天线间距，若不满足则返回S2继续迭代计算下一代。在上述步骤中，从步骤S2至步骤S4所采用的是为差分进化算法对天线间距进行优化；在本设计方法中使用MATLAB以及HFSS联合计算，运用MATLAB多线程计算的特性提高运算速度，大大节省了计算时间。且该设计方法可以使得散射通信系统天线阵中的天线散射方向集中，不仅提升了传统反向散射通信的距离；且因为可以使得方向集中，实现定向传输数据，不会影响到其他信道，可以减少对其他同频段通信的干扰，同时提升通信的安全性，使其他监听设备接收到数据的概率大大降低。
进一步的，通过S1步骤至S4步骤中的计算和仿真，在空间三维坐标系上分别从x，y,z三个坐标轴选取合适的天线共同构成了3D空间中的平面，三个天线的散射信号自然会被波束成形为垂直于该平面的角度；通过计算仿真从三个轴上选择其他天线来辅助调整和提高最初三根天线所形成的波束的聚集性和强度；辅助天线的选取采用投影近似法和λ/10距离原则。
进一步的，在步骤S3中，设置有目标值，每一代多组适应度值中最小的目标值的即为当代的最优值，该目标值即为步骤S4中所需要满足达到的需求。上述目标值具体如：计算开始时确定所需要计算宽度为10°，以此为要求，如果计算出来的宽度小于10°则满足要求，而10°即为所设置的目标值。
进一步的，在步骤S1中，按照实际需求，确定天线类型限制以及最大阵元数目限制，用HFSS建立天线阵列模型，并将散射通信系统天线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量d1-dn。一代天线间距为d1-dn是n个值，下一代就是对这n个值用差分进化进行更新，取出来新的d1-dn。
进一步的，在步骤S1中，用HFSS建立散射通信系统天线阵模型时，给每个天线添加上波端口，以及一个入射平面波激励，编辑馈源关闭波端口使其输出为0W，并设置平面波激励不为0。
进一步的，在步骤S2中，在HFSS上建立散射通信系统天线阵模型的文件的所在路径，在MATLAB中输入HFSS建立的散射通信系统天线阵模型的文件的所在路径及需优化的变量个数，需优化的变量个数与散射通信系统天线阵模型的天线间距的个数所对应。
进一步的，在步骤S3中，使用的适应度函数为散射方向图主瓣方向覆盖范围。
进一步的，以3dB下降为准来划定散射方向图主瓣方向，将主瓣宽度作为适应度值。以主瓣最大天线散射强度为基准，减去3dB，此时对应的角度值做差即可求出主瓣宽度从而确定主瓣方向。例如图2中m1为最大天线散射强度，-31.34dB，对应的m2与m3对应的x轴坐标相减即为主瓣宽度。
进一步的，在步骤S3中，每一代计算都保留当代最优值并将该最优值进行下一代计算。每一代的最优值都参与下一代的计算，使得下一代的最优值永远都是小于或者等于前一代的最优值，当计算到最大迭代次数时，该代所得到的最优值小于或者等于该代前面所有的最优值。
进一步的，在步骤S4中，当已达最大迭代次数仍不满足需求时，选择最大迭代次数时的多组适应度值中的最优值。
进一步的，所需满足的需求为适应度值的实际需求，最大迭代次数由散射通信系统天线阵模型的天线阵规模决定，天线阵规模即是空间部署的大小限制，比如可部署的空间只有1m*1m的空间，那么天线类型与阵元数目都要在这个约束下进行选择。适应度值的实际需求即为对散射方向图主瓣宽度的实际需求。
进一步的，在满足需求或已达最大迭代次数时，输出满足需求时或已达最大迭代次数时的最优值对应的天线间距，即散射通信系统天线阵的复数代多组散射方向图中的最优主瓣宽度情况下的天线间距，并用该天线间距对散射通信系统天线阵的阵元进行部署。同时按照通信双方位置进行发射端和接收端的架设。具体的，当用HFSS建立3D散射通信系统天线阵模型，且散射方向图为3D散射方向图时，计算出最优主瓣宽度情况下的天线部署间距后，对三个轴上的天线阵元进行部署。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在本发明中，通过在MATLAB上采用差分进化算法与HFSS进行联合计算，可以使得散射通信系统天线阵中的天线散射方向集中，提升了传统反向散射通信的距离；又基于空间几何坐标体系，使用近似投影法和天线理论建立3D散射场天线阵实现三维空间内360度无死角波束赋形，且波束可集中在一个较小的角度范围内，实现定向传输数据，可减少对其他同频段通信的干扰，提升通信的质量，使其他监听设备接收到数据的概率大大降低。
附图说明
图1是本发明一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法的HFSS和MATLAB联合计算的流程原理图。
图2是本发明一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法的优化前散射通信系统天线阵的散射方向图。
图3是本发明一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法的优化后散射通信系统天线阵的散射方向图。
图4是本发明一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法的散射通信系统天线阵模型示意图。
图5是本发明一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法的3D散射通信系统天线阵模型示意图。
图6是本发明一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法的优化后散射通信系统天线阵的3D散射方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
本发明提供一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法，其特征在于，该设计方法的步骤为：
S1，创建天线阵模型，按照实际需求，确定天线类型限制以及最大阵元数目限制，用HFSS建立天线阵列模型，并将散射通信系统天线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量d1-dn；用HFSS建立散射通信系统天线阵模型时，给每个天线添加上波端口，以及一个入射平面波激励，编辑源使得波端口输出为0W，平面波激励为1V/m；
S2，导出散射方向图，在HFSS上建立散射通信系统天线阵模型的文件的所在路径，在MATLAB中输入HFSS建立的散射通信系统天线阵模型的文件的所在路径及需优化的变量个数，需优化的变量个数与散射通信系统天线阵模型的天线间距的个数所对应，使用MATLAB的多线程功能控制同时打开多组HFSS对一代多组天线间距进行快速仿真，导出对应多组天线间距的多组散射通信系统天线阵的散射方向图，并将散射方向图结果存储到本地；
S3，计算适应度值，在计算适应度值时使用的适应度函数为散射方向图主瓣方向覆盖范围，并以3dB下降为准来划定散射方向图主瓣方向，将主瓣宽度作为适应度值；MATLAB根据散射通信系统天线阵的这一代的多组散射方向图计算多组适应度值，并选择保留当代多组适应度值中的最优值；
S4，判断适应度值，判断这一代多组适应度值中的最优值是否存在达到需求，若满足需求或已达最大迭代次数，输出满足需求时或已达最大迭代次数时的最优值对应的天线间距，即散射通信系统天线阵的复数代多组散射方向图中的最优主瓣宽度情况下的天线间距，并用该天线间距对散射通信系统天线阵的阵元进行部署，同时按照通信双方位置进行发射端和接收端的架设；若不满足则返回S2继续迭代计算下一代。
在上述S2步骤中，MATLAB的多线程功能控制同时打开多组HFSS对一代多组天线间距进行快速仿真即为：MATLAB编写复数个VB脚本，并通过复数个VB脚本并行运行控制HFSS进行仿真计算。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，在本发明中，通过在MATLAB上采用差分进化算法与HFSS进行联合计算，可以使得散射通信系统天线阵中的天线散射方向集中；用HFSS建立3D天线阵列模型，将散射方向图的主波瓣宽度压缩，并集中到空间中任一设定好的角度上去；由于天线散射方向集中，波束聚集性好，可实现定向传输数据，不会影响到其他信道，不仅提升了传统散射通信的通信距离，还减少对其他同频段通信工作的干扰，同时也提升了通信的安全性，使其他监听设备接收到数据的概率大大降低。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法，其特征在于，该设计方法基于三维空间的几何特征和天线阵的特性提出了一种可在三维空间内实现任意方向波束赋形的设计方法；具体采用了MATLAB和HFSS进行设计，HFSS建立散射通信系统天线阵模型，且将散射通信系统天线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量，MATLAB通过采用差分进化算法与HFSS进行联合计算出最优阵元天线间距；
该设计方法的步骤为：
S1，创建天线阵模型，用HFSS建立散射通信系统天线阵模型，将散射通信系统天线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量；
按照实际需求，确定天线类型限制以及最大阵元数目限制，用HFSS建立天线阵列模型，并将散射通信系统天线阵模型的阵元天线间距设置为可更改变量d1-dn；用HFSS建立散射通信系统天线阵模型时，给每个天线添加上波端口，以及一个入射平面波激励，编辑馈源关闭波端口使其输出为0W，并设置平面波激励不为0；
S2，导出散射方向图，使用MATLAB的多线程功能控制同时打开多组HFSS对一代多组天线间距进行快速仿真，从复数次仿真计算中选择最优阵元天线间距，导出对应多组天线间距的多组散射通信系统天线阵的散射方向图；
S3，计算适应度值，MATLAB根据散射通信系统天线阵的多组散射方向图计算多组适应度值，并选择保留当代多组适应度值中的最优值；
S4，判断适应度值，判断当代多组适应度值中的最优值是否存在达到需求，若满足需求，则输出满足需求时的最优值对应的天线间距，若不满足则返回S2继续迭代计算下一代多组天线间距；
当已达最大迭代次数仍不满足需求时，选择最大迭代次数时的多组适应度值中的最优值；
所需满足的需求为适应度值的实际需求，最大迭代次数由散射通信系统天线阵模型的天线阵规模决定，该散射通信系统天线阵模型的天线阵规模为由天线类型和最大阵元数目决定；
在满足需求或已达最大迭代次数时，输出满足需求时或已达最大迭代次数时的最优值对应的天线间距，即散射通信系统天线阵的复数代多组散射方向图中的最优主瓣宽度情况下的天线间距，并用该天线间距对散射通信系统天线阵的阵元进行部署；
通过S1步骤至S4步骤中的计算和仿真，在空间三维坐标系上分别从x，y,z三个坐标轴选取合适的天线共同构成了3D空间中的平面，三个天线的散射信号自然会被波束成形为垂直于该平面的角度；通过计算仿真从三个轴上选择其他天线来辅助调整和提高最初三根天线所形成的波束的聚集性和强度；辅助天线的选取采用投影近似法和λ/10距离原则。
2.如权利要求1所述的一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法，其特征在于，在步骤S2中，在HFSS上建立散射通信系统天线阵模型的文件的所在路径，在MATLAB中输入HFSS建立的散射通信系统天线阵模型的文件的所在路径及需优化的变量个数，需优化的变量个数与散射通信系统天线阵模型的天线间距的个数所对应。
3.如权利要求1所述的一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，使用的适应度函数为散射方向图主瓣方向覆盖范围；以3dB下降为准来划定散射方向图主瓣方向，将主瓣宽度作为适应度值。
4.如权利要求1所述的一种抗干扰散射通信系统天线阵的设计方法，其特征在于，在步骤S3中，每一代计算都保留当代最优值并将该最优值进行下一代计算。
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