CN113517570A - 一种异形八木天线及其波束控制方法 - Google Patents

一种异形八木天线及其波束控制方法 Download PDF

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许梦南
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叶晓东
孙通
陈玲
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Abstract

本发明公开了一种异形八木天线及其波束控制方法，该天线包括一个无源反射振子、馈源折合振子和四个无源引向振子，在无源反射振子以及各个无源引向振子的中心位置分别设有电抗元件负载端口；所述四个无源引向振子，以两个为一组形成波束引向单元，两组波束引向单元分布在八木天线中心线的两侧，并与中心线呈45°。该方法为：基于N端口特征模理论，建立电抗值与端口电流及总电场的转换关系，根据目标函数优化负载端口电抗元件的电抗值，加载可变电抗的异形八木天线从而实现波束控制。本发明通过可控的电抗值加载实现八木天线的波束控制，具有效率高、成本低、节省空间等优点。

Description

一种异形八木天线及其波束控制方法
技术领域
本发明属于天线设计技术领域，特别是一种异形八木天线及其波束控制方法。
背景技术
八木天线作为一种常规引向天线，由单一有源振子(一般为折合振子)、一个无源反射器和若干无源引向振子组成，具有良好的端射特性和较高的增益，广泛应用于远距离通信。作为单方向天线，虽然可以使用旋转装置进行对天线整体方向的控制，或通过调节振子长度和间距控制电流分配比来改变天线方向图；但在天线位置固定的情况下，仅能实现单方向的传输，有很大局限性。
目前的电抗加载控制阵列主要是用权重系数作为优化变量，且只能针对单频点进行优化。优化出的权重系数对于目标函数的计算较为方便，但由权重系数推导出实际用于加载的电抗值，对于算法的时间和计算资源需求较大，因此对于算法的性能要求很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异形八木天线及其波束控制方法，在基于N端口特征模理论的电抗加载阵列构建方法上设计一种波束可控的异形八木天线，在天线位置固定的情况下，能实现一定角度波束控制的性能。
实现本发明采用如下技术解决方案：一种异形八木天线，包括一个无源反射振子、馈源折合振子和四个无源引向振子，在无源反射振子以及各个无源引向振子的中心位置分别设有电抗元件负载端口；
所述四个无源引向振子，以两个为一组形成波束引向单元，两组波束引向单元分布在八木天线中心线的两侧，并与中心线呈45°。
进一步地，所述无源反射振子和馈源折合振子的间距为0.17λ，无源反射振子的长度为0.5λ，折合振子的长度为0.48λ，宽度为0.02λ；其中λ表示工作频率f对应的真空中波长。
进一步地，无源引向振子的长度为0.4λ，波束引向单元距折合振子的中心距离为0.28λ，每组波束引向单元中两个振子的间距为0.1λ；其中λ表示工作频率f对应的真空中波长。
进一步地，所述负载端口中电抗元件为串联在端口上的电感或电容元件。
一种异形八木天线的波束控制方法，基于N端口特征模理论，建立电抗值 XL1～XL5与端口电流Jp及总电场E的转换关系，根据目标函数优化负载端口电抗元件的电抗值XL1～XL5，加载可变电抗的异形八木天线从而实现波束控制。
进一步地，以N端口特征模为理论基础建立电抗值XL1～XL5与端口电流Jp及总电场E的转换关系，具体如下：
[Z]N×N为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，根据阻抗矩阵所得广义特征值方程：
[X]N×N[I]N×N＝λ[R]N×N[I]N×N
其中，λ为特征值，[R]N×N和[X]N×N分别为[Z]N×N的实部和虚部矩阵；
求解特征电流矩阵[I]N×N，并根据此矩阵得到特征电场Ei，i为1～N的整数，N既是模式数，又是端口数；
加载电抗后的阻抗矩阵与端口总电流、端口总电压的关系如下：
[Z+ZL]N×N[Jp]N×1＝[Vp]N×1
其中Z为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，ZL为端口加载的电抗值，Vp为端口电压，[Jp]N×1为端口电流矩阵；N既是模式数，又是端口数；
由电抗值和已知的端口电压可得特征电流对应的权重系数α：
Figure RE-GDA0003259673860000021
其中，Z为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，ZL为端口加载的电抗值，上标“-1”表示逆矩阵运算，[I]N×N为特征电流矩阵，[Vp]N×1为端口电压；
进一步求得特征电流和特征电场线性综合得到的端口电流和总电场，并与所设目标函数进行比较：
Figure RE-GDA0003259673860000022
其中，[Jp]N×1为端口电流矩阵，[I]N×N为特征电流矩阵，[α]N×1为模式权重系数矩阵，E为总电场，αi和Ei分别表示模式i的模式权重系数和模式电场。
进一步地，设定的目标函数为：
T＝w1t1+w2t2+w3t3+w4t4
Figure RE-GDA0003259673860000023
Figure RE-GDA0003259673860000031
Figure RE-GDA0003259673860000032
Figure RE-GDA0003259673860000033
其中，T为整体目标函数值，w1～w4为子目标函数t1～t4的权重系数；子目标函数t1中，
Figure RE-GDA0003259673860000034
为当前方向图的最大辐射角度，
Figure RE-GDA0003259673860000035
为目标角度；子目标函数t2中，SLL为最大副瓣电平，SLLd为目标最大副瓣电平；子目标函数t3中，HPBW为半功率波束宽度， HPBWd为目标半功率波束宽度；子目标函数t4中，S11为反射系数，S11_d为目标反射系数。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)设计了一种异形八木天线结构，使得八木天线在位置固定、尺寸结构不变的情况下能有多方向的波束性能；(2)通过可控的电抗值加载实现八木天线的波束控制，效率高、成本低、节省空间；(3)在满足一定的最大旁瓣电平、半功率波束宽度、增益和端口反射系数情况下，远场方向图的最大幅度角可在一定角度范围内任意变化；(4)引入基于N端口特征模理论的电抗控制阵列设计方法，使用电抗值作为优化变量，极大地提高了优化效率。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明六单元波束控制异形八木天线的俯视图。
图2是本发明实施例在5个不同目标角度下反射系数的仿真结果图。
图3是本发明实施例在5个不同目标角度下增益方向图的仿真结果图。
具体实施方式
本发明一种异形八木天线，包括一个无源反射振子1、馈源折合振子2和四个无源引向振子3，在无源反射振子1以及各个无源引向振子3的中心位置分别设有电抗元件负载端口4；
所述四个无源引向振子3，以两个为一组形成波束引向单元，两组波束引向单元分布在八木天线中心线的两侧，并与中心线呈45°。
进一步地，所述无源反射振子1和馈源折合振子2的间距为0.17λ，无源反射振子1的长度为0.5λ，折合振子的长度为0.48λ，宽度为0.02λ；其中λ表示工作频率f对应的真空中波长。
进一步地，无源引向振子的长度为0.4λ，波束引向单元距折合振子的中心距离为0.28λ，每组波束引向单元中两个振子的间距为0.1λ；其中λ表示工作频率f对应的真空中波长。
进一步地，所述负载端口中电抗元件为串联在端口上的电感或电容元件。
一种异形八木天线的波束控制方法，基于N端口特征模理论，建立电抗值 XL1～XL5与端口电流Jp及总电场E的转换关系，根据目标函数优化负载端口电抗元件的电抗值XL1～XL5，加载可变电抗的异形八木天线从而实现波束控制。
进一步地，以N端口特征模为理论基础建立电抗值XL1～XL5与端口电流Jp及总电场E的转换关系，具体如下：
[Z]N×N为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，根据阻抗矩阵所得广义特征值方程：
[X]N×N[I]N×N＝λ[R]N×N[I]N×N
其中，λ为特征值，[R]N×N和[X]N×N分别为[Z]N×N的实部和虚部矩阵；
求解得到的特征电流矩阵[I]N×N，并根据此矩阵得到特征电场Ei，i为1～N的整数，N既是模式数，又是端口数；
加载电抗后的阻抗矩阵与端口总电流、端口总电压的关系如下：
[Z+ZL]N×N[Jp]N×1＝[Vp]N×1
其中Z为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，ZL为端口加载的电抗值，Vp为端口电压，[Jp]N×1为端口电流矩阵；N既是模式数，又是端口数；
由电抗值和已知的端口电压可得特征电流对应的权重系数α：
Figure RE-GDA0003259673860000041
其中，Z为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，ZL为端口加载的电抗值，上标“-1”表示逆矩阵运算，[I]N×N为特征电流矩阵，[Vp]N×1为端口电压；
进一步求得特征电流和特征电场线性综合得到的端口电流和总电场，并与所设目标函数进行比较：
Figure RE-GDA0003259673860000051
其中，[Jp]N×1为端口电流矩阵，[I]N×N为特征电流矩阵，[α]N×1为模式权重系数矩阵，E为总电场，αi和Ei分别表示模式i的模式权重系数和模式电场。
进一步地，设定的目标函数为：
T＝w1t1+w2t2+w3t3+w4t4
Figure RE-GDA0003259673860000052
Figure RE-GDA0003259673860000053
Figure RE-GDA0003259673860000054
Figure RE-GDA0003259673860000055
其中，T为整体目标函数值，w1～w4为子目标函数t1～t4的权重系数；子目标函数t1中，
Figure RE-GDA0003259673860000056
为当前方向图的最大辐射角度，
Figure RE-GDA0003259673860000057
为目标角度；子目标函数t2中，SLL为最大副瓣电平，SLLd为目标最大副瓣电平；子目标函数t3中，HPBW为半功率波束宽度， HPBWd为目标半功率波束宽度；子目标函数t4中，S11为反射系数，S11_d为目标反射系数。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
本发明一种异形八木天线及其波束控制方法，具体包括以下步骤：
第一步，建立模型。一种六单元波束控制异形八木天线，包括一个无源反射振子1、馈源折合振子2和四个无源引向振子3。在无源的反射振子及引向振子的中心位置设有电抗元件负载端口4。所述无源反射振子和馈源折合振子的间距约为0.17λ,λ为工作频率对应的波长。无源反射振子1的长度约为0.5λ，折合振子的长度约为0.48λ，宽度约为0.02λ。所述无源引向振子，以两个振子为一组波束引向单元，两组波束引向单元分布在八木天线中心线的两侧，并与中心线呈一定角度。无源引向振子的长度约为 0.4λ。波束引向单元距折合振子的中心距离约为0.28λ，每组波束引向单元中两个振子的间距约为0.1λ。
第二步，利用N端口特征模理论对异形八木天线模型进行特征分析，步骤如下：
(1)读取频率、端口数等几何信息和设置控制参数；
(2)提取端口阻抗矩阵，由阻抗矩阵建立并求解广义特征值方程；
(3)计算特征电流和特征场；
(4)根据电抗值和已知端口电压求解模式权重系数；
(5)由权重系数与特征电流和特征场线性综合得到端口总电流和总电场,并与目标函数比较。
第三步，为了约束异形八木天线阵列在某一方向的辐射性能，目标函数设置如下：
T＝w1t1+w2t2+w3t3+w4t4
Figure RE-GDA0003259673860000061
Figure RE-GDA0003259673860000062
Figure RE-GDA0003259673860000063
Figure RE-GDA0003259673860000064
其中，T为整体目标函数值，w1～w4为子目标函数t1～t4的权重系数。子目标函数t1中，
Figure RE-GDA0003259673860000065
为当前方向图的最大辐射角度，
Figure RE-GDA0003259673860000066
为目标角度；子目标函数t2中，SLL为最大副瓣电平，SLLd为目标最大副瓣电平；子目标函数t3中，HPBW为半功率波束宽度， HPBWd为目标半功率波束宽度；子目标函数t4中，S11为反射系数，S11_d为目标反射系数。
第四步，使用差分进化算法(DE)算法优化出最优电抗值。每次迭代，用电抗值反推特征电流和特征电场线性叠加成端口总电流和总电场所需的权重系数。根据端口总电流和总电场判断当前电抗值是否符合目标函数要求。
第五步，根据差分进化算法(DE)算法优化出的最优电抗值，代入全波仿真平台的加载端口处进行仿真，得到反射系数和增益方向图。
本实施例中，工作频率为3GHz，工作波长λ＝100mm，无源反射振子1长度为0.25λ，馈源振子长度2为0.24λ，四个无源引向振子3的长度都为0.2λ，负载端口4 的长度约为0.02λ。目标角度范围设置为-55°至55°，目标最大旁瓣电平设置为-6dB，目标半功率波瓣宽度设置为65度，目标反射系数设置为-10.5。具体模型如图1所示。仿真结果如图2、3所示。图2是天线的反射系数曲线，可以得出在3GHz，5个不同角度的八木天线反射系数都小于-10dB；图3是5个不同角度下异形八木天线的增益方向图。
综上所述，本发明设计了一种异形八木天线结构，使得八木天线在位置固定、尺寸结构不变的情况下能有多方向的波束性能；通过可控的电抗值加载实现八木天线的波束控制，效率高、成本低、节省空间；在满足一定的最大旁瓣电平、半功率波束宽度、增益和端口反射系数情况下，远场方向图的最大幅度角可在一定角度范围内任意变化；引入基于N端口特征模理论的电抗控制阵列设计方法，使用电抗值作为优化变量，极大地提高了优化效率。

Claims (7)

1.一种异形八木天线，其特征在于，包括一个无源反射振子(1)、馈源折合振子(2)和四个无源引向振子(3)，在无源反射振子(1)以及各个无源引向振子(3)的中心位置分别设有电抗元件负载端口(4)；
所述四个无源引向振子(3)，以两个为一组形成波束引向单元，两组波束引向单元分布在八木天线中心线的两侧，并与中心线呈45°。
2.根据权利要求1所述的异形八木天线，其特征在于，所述无源反射振子(1)和馈源折合振子(2)的间距为0.17λ，无源反射振子(1)的长度为0.5λ，折合振子的长度为0.48λ，宽度为0.02λ；其中λ表示工作频率f对应的真空中波长。
3.根据权利要求1所述的异形八木天线，其特征在于，无源引向振子的长度为0.4λ，波束引向单元距折合振子的中心距离为0.28λ，每组波束引向单元中两个振子的间距为0.1λ；其中λ表示工作频率f对应的真空中波长。
4.根据权利要求1所述的异形八木天线，其特征在于，所述负载端口中电抗元件为串联在端口上的电感或电容元件。
5.一种异形八木天线的波束控制方法，其特征在于，基于N端口特征模理论，建立电抗值XL1～XL5与端口电流Jp及总电场E的转换关系，根据目标函数优化负载端口电抗元件的电抗值XL1～XL5，加载可变电抗的异形八木天线从而实现波束控制。
6.根据权利要求5所述的异形八木天线的波束控制方法，其特征在于，以N端口特征模为理论基础建立电抗值XL1～XL5与端口电流Jp及总电场E的转换关系，具体如下：
[Z]N×N为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，根据阻抗矩阵所得广义特征值方程：
[X]N×N[I]N×N＝λ[R]N×N[I]N×N
其中，λ为特征值，[R]N×N和[X]N×N分别为[Z]N×N的实部和虚部矩阵；
求解得到的特征电流矩阵[I]N×N，并根据此矩阵得到特征电场Ei，i为1～N的整数，N既是模式数，又是端口数；
加载电抗后的阻抗矩阵与端口总电流、端口总电压的关系如下：
[Z+ZL]N×N[Jp]N×1＝[Vp]N×1
其中Z为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，ZL为端口加载的电抗值，Vp为端口电压，[Jp]N×1为端口电流矩阵；N既是模式数，又是端口数；
由电抗值和已知的端口电压可得特征电流对应的权重系数α：
Figure FDA0003102198000000021
其中，Z为天线结构的阵列端口阻抗矩阵，ZL为端口加载的电抗值，上标“-1”表示逆矩阵运算，[I]N×N为特征电流矩阵，[Vp]N×1为端口电压；
进一步求得特征电流和特征电场线性综合得到的端口电流和总电场，并与所设目标函数进行比较：
Figure FDA0003102198000000022
其中，[Jp]N×1为端口电流矩阵，[I]N×N为特征电流矩阵，[α]N×1为模式权重系数矩阵，E为总电场，αi和Ei分别表示模式i的模式权重系数和模式电场。
7.根据权利要求6所述的异形八木天线的波束控制方法，其特征在于，设定的目标函数为：
T＝w1t1+w2t2+w3t3+w4t4
Figure FDA0003102198000000023
Figure FDA0003102198000000024
Figure FDA0003102198000000025
Figure FDA0003102198000000026
其中，T为整体目标函数值，w1～w4为子目标函数t1～t4的权重系数；子目标函数t1中，
Figure FDA0003102198000000027
为当前方向图的最大辐射角度，
Figure FDA0003102198000000028
为目标角度；子目标函数t2中，SLL为最大副瓣电平，SLLd为目标最大副瓣电平；子目标函数t3中，HPBW为半功率波束宽度，HPBWd为目标半功率波束宽度；子目标函数t4中，S11为反射系数，S11_d为目标反射系数。
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