CN111967118A - 一种圆形天线阵列的构建装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车配件技术领域，具体涉及一种圆形天线阵列的构建装置及方法；本发明设置圆形天线阵列采用3D空间分布规则，统一设置天线空间域p∈R³，R³是3D空间；分别对圆形天线的面阵和线阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置进行设置；利用三级图乘装置确定目标信号的来波方向；利用多根偶极子天线竖直放置，摆放成圆阵列，对信号进行赋值；通过修正输入的赋形波束因子W，实现多天线的MRC合并；执行信道的频域均衡，实现多天线的合并和解调，进而完成构建；本发明能够在的范围内进行波束扫描，并且在所有方向上具有相似的孔径；圆阵在波束形成时具有对频率不敏感的特性，解决了不同天线阵列三维空间特性分布和信号的传递函数简化问题。

Description

一种圆形天线阵列的构建装置及方法

技术领域

本发明涉及汽车配件技术领域，具体涉及一种圆形天线阵列的构建装置及方法。

背景技术

在雷达和无线通信应用中，常常要求天线具有很强的方向性，并且要求波束具有在一定范围内扫描的能力，因此实际中常采用若干天线组成天线阵，直线阵和圆阵是两种常见的组阵方式。直线阵能在范围内进行波束扫描，但是其增益和方向图随着角度的不同而改变。和直线阵相比，圆阵具有更优越的性能，圆阵能够在的范围内进行波束扫描，并且在所有方向上具有相似的孔径；圆阵在波束形成时具有对频率不敏感的特性，可用于宽带信号；此外，圆环阵列天线易于构成共形天线。因此，对圆环阵列天线的研究具有重要意义。本文重点研究均匀均圆形阵列天线的参数变化对其方向图的影响，所有的分析是在理想的条件下进行的，没有考虑阵元之间的耦合。在实际应用中，可以在波束形成中采取补偿措施，以消除阵元耦合带来的影响。多天线下面的信道模型如图1所示，用子径和描述任意两收发天线单元间的信道；选择信道场景；查找对应信道类型的信道参数；根据信道参数确定用户参数，即多径和子径的角度、时延和功率；根据多径和子径的角度、时延和功率产生信道冲激响应。

如图2所示的BS和MS的角度参数

P_n第n条路径的功率.

σ_SF对数正态阴影衰落

M子路径个数

θ_n,m,AoD第n条路径中第m个子路径的离开角度(AoD)

θ_n,m,AoA第n条路径中第m个子路径的到达角度(AoA)

G_BS(θ_n,m,AoD)基站每一根天线阵元的增益

G_MS(θ_n,m,AoA)终端每一根天线阵元的增益

j等于sqrt(-1)

k波长个数2π/λ。其中λ按照米计算的载波波长

d_s以第一个(s＝1)基站天线为参考的天线距离，所以s＝1(d₁＝0)

d_u以第一个(u＝1)终端天线为参考的天线距离，所以u＝1(d₁＝0)

Φ_n,m第n条路径中第m个子路径的相位

||v||终端移动速度矢量的幅度

θ_v终端移动速度矢量的角度

产生每条径对应的子径；子径功率为径功率的1/M；子径相位均匀分布；子径AOD偏移服从以径AOD为中心的拉普拉斯分布；子径AOA 偏移服从以径AOA为中心的拉普拉斯分布；子径的AOD和AOA随机对应；确定用户参数。

LOS径方向、用户移动方向和用户天线阵方向，三个方向都服从均匀分布随机产生σ_DS、σ_AS和σ_SF，三个变量都服从对数正态分布，三个变量间的相关性和不同基站σ_SF间的相关性如下：将AOD和时延一一对应，时延小的径对应的AOD偏移较小，产生每条径的AOA，服从高斯分布，方差与径功率有关

σ_n,AOA＝104.12(1-exp(-0.217510log10(p_n)))

角度和功率、时延和功率间存在关系，用下式体现

r_AS＝σ_AOD/σ_AS和r_DS＝σ_delays/σ_DS

其中，r_AS越大，表示功率越集中在AOD较小的几个径上；r_DS越大，表示功率越集中在时延较小的几个径上具体数值通过测量得到，随机的平均功率表现了实际信道的变化，对产生动态变化和同测量相比较都很重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种圆形天线阵列的构建装置及方法，解决不同天线阵列三维空间特性分布和信号的传递函数简化问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种圆形天线阵列的构建方法，所述构建方法包括以下步骤：

S1设置圆形天线阵列采用3D空间分布规则，统一设置天线空间域 p∈R³，R³是3D空间；

S2分别对圆形天线的面阵和线阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置进行设置；

S3利用三级图乘装置确定目标信号的来波方向；

S4利用多根偶极子天线竖直放置，摆放成圆阵列，对信号进行赋值；

S5通过修正输入的赋形波束因子W，实现多天线的MRC合并；

S6执行信道的频域均衡，实现多天线的合并和解调，进而完成构建。

更进一步的，所述S2中，圆形阵列N根天线的3D空间分布：各自XYZ坐标位置设计如下：

p(n)＝[Rcos(2πn/N),Rsin(2πn/N),0],n＝0,...N-1

p(n)＝R[cos(φ),sin(φ),0],n＝0,...N-1。

更进一步的，所述S2中，对于面阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置：

p(n)＝[d*n1,d*n2,0],

n1＝(1,...N1)-(N1+1)/2,n2＝1,...N2-(N2+1)/2。

更进一步的，所述S2中，

对于线阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置

p(n)＝[d*n1,d,0],n1＝1,...N

则，

更进一步的，所述S3中，所述三级图乘装置通过三维空间分布函数V和当前信号输入信号对应的相控参数W的乘积，W对V的全方位扫描就可以得到信号的三维空间信号功率密度分布图，确定目标信号的来波方向。

更进一步的，所述S4中，采用多根偶极子天线竖直放置，摆放成圆阵列，对超远距离的通信模块和近距离的通信装置，根据天线的图乘法则，设置圆形天线的天线半径。

更进一步的，所述S5中，通过简化多径信道输入到阵列，在波束赋形器中的每根阵列天线得到的多径信号相同，天线的3D空间摆放位置不同及每条路径的输入角度不同，将输入信号的不同通过等效相位偏移实现，或者时延不同来实现窄带信号波束赋形实现。

一种圆形天线阵列的构建装置，所述构建装置用于实现上述的圆形天线阵列的构建方法，包括三级图乘装置、多根偶极子天线和波束赋形器。

更进一步的，所述三级图乘装置包括第一级图乘装置、第二级图乘装置和第三级图乘装置。

更进一步的，所述第一级图乘装置：三维天线空间域和三维输入信号相乘，得到阵列天线的以水平和俯仰角度为变量的三维空间分布函数P；

所述第二级图乘装置：三维空间分布函数p和单个阵子的图乘装置形成最终的天线阵列三维空间分布函数V；

所述第三级图乘装置：三维空间分布函数V和当前信号输入信号对应的相控参数W的乘积。

本发明的有益效果为：

本发明的圆阵具有更优越的性能，能够在的范围内进行波束扫描，并且在所有方向上具有相似的孔径；线阵能在水平范围内进行波束扫描，但是其增益和方向图随着角度的不同而改变，和线阵相比，圆阵具有更优越的性能，圆阵能够在水平和俯仰更大的范围内进行波束扫描。圆阵在波束形成时具有对频率不敏感的特性，可用于宽带信号；此外，圆环阵列天线易于构成共形天线，解决了不同天线阵列三维空间特性分布和信号的传递函数简化问题。

附图说明

为了更清楚地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是本发明背景技术多天线下面的信道模型图；

图2是本发明背景技术BS和MS的角度参数图；

图3是本发明实施例由N个阵元组成的圆形阵列模型图；

图4是本发明实施例单个偶极子方向图；

图5是本发明实施例偶极子多天线方向图；

图6是本发明实施例3D阵列集合图形图；

图7是本发明实施例半波振子目标俯仰角为60°图；

图8是本发明实施例半波振子目标方位角为30°图；

图9是本发明实施例球面坐标系统图；

图10是本发明实施例通过等效相位偏移实现窄带信号波束赋形实现图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例公开一种由N个阵元组成的圆形阵列如图3所示，圆阵放置在xoy平面上，圆心为参考点，圆环的半径，其中λ是波长，φn 是第n个阵元的方位角，各个阵元均匀排列，故有：

以圆心为相位参考点，则可求出第n根天线与圆心之间的相位差为

本实施例提供的算法装置需要能够适应无人机360度的整个球面的通信要求，故此采用3D-MIMO的圆形阵列实现水平360度和俯仰 360度三维的快速波束扫描。

所以圆形阵的归一化方向图函数为

当θ＝θ₀，

时，

取最大值。对圆形天线阵的波束形成器的方向导向矢量

为

波束权值计算的方法是依据一定的准则，综合各输入信息来计算最优权值的数学方法

还可以根据三维坐标设计，各种天线阵列采用3D空间分布，统一设置天线空间域p∈R³，R³是3D空间。

圆形阵列N根天线的3D空间分布：各自XYZ坐标位置设计如下

p(n)＝[Rcos(2πn/N),Rsin(2πn/N),0],n＝0,...N-1

p(n)＝R[cos(φ),sin(φ),0],n＝0,...N-1

对于面阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置

p(n)＝[d*n1,d*n2,0],

n1＝(1,...N1)-(N1+1)/2,n2＝1,...N2-(N2+1)/2

对于线阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置

p(n)＝[d*n1,d,0],n1＝1,...N

所以不同天线阵列的唯一区别在于p的设置，后面都统一

并且有天线阵列根据原点，或者圆心均匀排列。所以有

对应的入射因子k的单位矢量如下

则方向图函数等于

θ＝0:Δθ:π

天线的每一个单元都是对称阵子，对称阵子只和俯仰角度有关，和方位角度无关。

对称振子是一种经典的使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。

l＝Dipolelength(m)

发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图，如下示意。从图可以看出，在振子的Z轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；并且在水平面上各个方向上的辐射一样大。单个偶极子方向图如图4所示。半波对称振子的增益为G＝2.15dBi。

实施例2

本实施例中，天线方向性增强天线理论基础是辐射方向图相乘法则，图乘法则，改法则指出,N个相同天线单元组合的方向性可以表示为单元方向性乘以一个阵列因子，所以若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。

所以偶极子多天线方向图5函数如下。

在激励信号

输入下，进入多天线矩阵的空间特性之中，得到方向图传递函数

并且之后，就可以和复数加权向量w^H共轭相乘，得到方向增益关系图

.如图5就示意了在激励信号

方向性计算如下，方向性不依赖任何天线架构，按照球面坐标系原理如下，积分一个球体的各个点的功率密度和对应的面积相乘，得到总体功率再除以面积，此时默认半径r＝1。球面坐标系统如图9所示。

统一的方向数值(增益数值)计算如下

theta＝startΔθ:stepΔθ:stopπ

是MRA(mainresponseaxis)主响应轴线或者称之为激励方向性(steeringdirection)，D代表入射角度的功率(最大辐射功率-在一定平面内的功率)除以平均辐射功率。其中3D阵列集合图形如图6所示，半波振子目标俯仰角为60°如图7所示；半波振子目标方位角为 30°如图8所示。

增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G＝13dB＝20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100/20＝5W。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G＝8.15dBi(dBi这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd。

半波对称振子的增益为G＝0dBd(因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。)垂直四元阵，其增益约为G＝8.15–2.15＝6dBd。

等到天线间距，数量，天线类型一般都是确定的，每一次波束赋形的区别就是入射信号的角度不同，接收端需要不断的搜索入射角度，或者把整体入射时延作为一个未知函数 f(t-τ₀)f(t-τ₁)f(t-τ_N-1)，不断更新w使之共轭相乘功率最大。

y(t,k)＝w^H*v(k)exp(jωt),上面最大延时仅仅对入射信号的相位造成影响。但是采样之后的信号同步没有影响。

这是由于如果设置

τ_n≤Δτ_max,n＝0,…,N-1

信号达到不同天线间的最大时延Δτ_max，一般远远小于物理层一个采样点的间隔

B_s是物理层采样速率，所以有

B_s·Δτ_max<<1

所以物理层信号不同时刻到达天线阵列的表达公式如下：

f(t-P_n)＝{f(t)·exp(-jω_cτ_n)·exp(-jω_ct)}

ω_c是载波相位，一般ω_c>>B_s例如ω_c＝10⁹>>B_s＝10⁶，所以不同天线之间时间差相对载波频率而言，会产生不同的相位差。同时相对采样速率而言没有差别。所以上面的公式可以看出来时间差仅仅和载波相乘，也就是一组延迟线的相位差实现延迟相加的波束赋形器。

多天线的波束赋形使用到了空间相关性：空间相关性随着d/λ或 r/λ的增大而减小并趋近于0值(d代表天线间距，线阵或者面阵，r 代表圆阵列的半径)，并且伴随着竖直角度θ₀,的增加，阵列之间的相关性逐渐变弱。伴随着主瓣夹角α的减小，阵列之间的相关性逐渐减弱；而伴随着无人机和地面之间距离(D/a)的增大，相关性逐渐变强。通过等效相位偏移实现窄带信号波束赋形实现如图10所示

方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB (功率密度降低一半)的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角)。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。

本实施例中，公开天线增益的若干近似计算式

1)天线主瓣宽度越窄，增益越高。对于一般天线，可用下式估算其增益：

G(dBi)＝10Lg{32000/(2θ3dB,E×2θ3dB,H)}

式中，2θ3dB,E与2θ3dB,H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度；

32000是统计出来的经验数据。

2)对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：

G(dBi)＝10Lg{4.5×(D/λ0)2}

式中，D为抛物面直径；

λ0为中心工作波长；

4.5是统计出来的经验数据。

3)对于直立全向天线，有近似计算式

G(dBi)＝10Lg{2L/λ0}

式中，L为天线长度；

λ0为中心工作波长。

实施例3

本实施例中设置各类天线阵列采用3D空间分布规则，统一设置天线空间域p∈R³，R³是3D空间。圆形阵列N根天线的3D空间分布：各自XYZ坐标位置设计如下

p(n)＝[Rcos(2πn/N),Rsin(2πn/N),0],n＝0,...N-1

p(n)＝R[cos(φ),sin(φ),0],n＝0,...N-1

对于面阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置

p(n)＝[d*n1,d*n2,0],

n1＝(1,...N1)-(N1+1)/2,n2＝1,...N2-(N2+1)/2

对于线阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置

p(n)＝[d*n1,d,0],n1＝1,...N

所以不同天线阵列的唯一区别在于p的设置，后面都统一

并且有天线阵列根据原点，或者圆心均匀排列。所以有

这样统一规则的目的为后续天线算法设计统一标准。

本实施例中，采用三级图乘装置，第一级是三维天线空间域和三维输入信号相乘，得到阵列天线的以水平和俯仰角度为变量的三维空间分布函数P。第二级图乘装置：三维空间分布函数p和单个阵子的图乘装置形成最终的天线阵列三维空间分布函数V。第三级图乘装置：三维空间分布函数V和当前信号输入信号对应的相控参数W的乘积， W对V的全方位扫描就可以得到信号的三维空间信号功率密度分布图。从而确定目标信号的来波方向。

本实施例中，对于空间无人机通信系统需要360度全向扫描，故此采用多根偶极子天线竖直放置，摆放成圆阵列，对于超远距离的通信模块，采用4天线半径R＝0.25的圆阵列，对于近距离采用R＝0.35 的圆阵列，这是由于天线的图乘法则，偶极子天线俯仰角度小时，增益明显降低，采用距离远一些的天线阵列，赋形效果更好。

本实施例中，简化多径信道输入到阵列，波束赋形器中的每一根阵列天线得到的多径信号相同，唯一的区别在于天线的3D空间摆放位置不同，和每一条路径的输入角度不同，这样就可以把输入信号的不同通过等效相位偏移实现，或者时延不同来实现窄带信号波束赋形实现。.通过求得每一次输入角度的不同得到的等效时延不同来修正输入的赋形波束因子W，从而实现多天线的MRC合并，MRC合并之后执行信道的频域均衡，最终完成多天线的合并和解调。这是基于信号达到不同天线间的最大时延Δτ_max，一般远远小于物理层一个采样点的间隔

B_s是物理层采样速率，所以有

B_s·Δτ_max<<1

所以物理层信号不同时刻到达天线阵列的表达公式如下：

f(t-P_n)＝{f(t)·exp(-jω_cτ_n)·exp(-jω_ct)}

ω_c是载波相位，一般ω_c>>B_s例如ω_c＝10⁹>>B_s＝10⁶，所以不同天线之间时间差相对载波频率而言，会产生不同的相位差。同时相对采样速率而言没有差别。所以上面的公式可以看出来时间差仅仅和载波相乘，也就是一组延迟线的相位差实现延迟相加的波束赋形器。

本发明的圆阵具有更优越的性能，能够在的范围内进行波束扫描，并且在所有方向上具有相似的孔径；线阵能在水平范围内进行波束扫描，但是其增益和方向图随着角度的不同而改变，和线阵相比，圆阵具有更优越的性能，圆阵能够在水平和俯仰更大的范围内进行波束扫描。圆阵在波束形成时具有对频率不敏感的特性，可用于宽带信号；此外，圆环阵列天线易于构成共形天线，解决了不同天线阵列三维空间特性分布和信号的传递函数简化问题。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种圆形天线阵列的构建方法，其特征在于，所述构建方法包括以下步骤：

S1设置圆形天线阵列采用3D空间分布规则，统一设置天线空间域p∈R³，R³是3D空间；

S2分别对圆形天线的面阵和线阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置进行设置；

S3利用三级图乘装置确定目标信号的来波方向；

S4利用多根偶极子天线竖直放置，摆放成圆阵列，对信号进行赋值；

S5通过修正输入的赋形波束因子W，实现多天线的MRC合并；

S6执行信道的频域均衡，实现多天线的合并和解调，进而完成构建。

2.根据权利要求1所述的圆形天线阵列的构建方法，其特征在于，

所述S2中，圆形阵列N根天线的3D空间分布：各自XYZ坐标位置设计如下：

p(n)＝[Rcos(2πn/N),Rsin(2πn/N),0],n＝0,...N-1

p(n)＝R[cos(φ),sin(φ),0],n＝0,...N-1。

3.根据权利要求1所述的圆形天线阵列的构建方法，其特征在于，

所述S2中，对于面阵的3D空间分布XYZ信号摆放位置：

p(n)＝[d*n1,d*n2,0],

n1＝(1,...N1)-(N1+1)/2,n2＝1,...N2-(N2+1)/2。

4.根据权利要求1所述的圆形天线阵列的构建方法，其特征在于，

所述S2中，

对于线的的3D空间分布XYZ信号摆放位置

p(n)＝[d*n1,d,0],n1＝1,...N

则，

5.根据权利要求1所述的圆形天线阵列的构建方法，其特征在于，

所述S3中，所述三级图乘装置通过三维空间分布函数V和当前信号输入信号对应的相控参数W的乘积，W对V的全方位扫描就可以得到信号的三维空间信号功率密度分布图，确定目标信号的来波方向。

6.根据权利要求1所述的圆形天线阵列的构建方法，其特征在于，

所述S4中，采用多根偶极子天线竖直放置，摆放成圆阵列，对超远距离的通信模块和近距离的通信装置，根据天线的图乘法则，设置圆形天线的天线半径。

7.根据权利要求1所述的圆形天线阵列的构建方法，其特征在于，

所述S5中，通过简化多径信道输入到阵列，在波束赋形器中的每根阵列天线得到的多径信号相同，天线的3D空间摆放位置不同及每条路径的输入角度不同，将输入信号的不同通过等效相位偏移实现，或者时延不同来实现窄带信号波束赋形实现。

8.一种圆形天线阵列的构建装置，所述构建装置用于实现如权利要求1-7所述任意一项的圆形天线阵列的构建方法，其特征在于，包括三级图乘装置、多根偶极子天线和波束赋形器。

9.根据权利要求8所述的圆形天线阵列的构建装置，其特征在于所属述三级图乘装置包括第一级图乘装置、第二级图乘装置和第三级图乘装置。

10.根据权利要求9所述的圆形天线阵列的构建装置，其特征在于，

所述第一级图乘装置：三维天线空间域和三维输入信号相乘，得到阵列天线的以水平和俯仰角度为变量的三维空间分布函数P；

所述第二级图乘装置：三维空间分布函数p和单个阵子的图乘装置形成最终的天线阵列三维空间分布函数V；

所述第三级图乘装置：三维空间分布函数V和当前信号输入信号对应的相控参数W的乘积。

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