CN114725682A

CN114725682A - 一种相控阵波束指向设计方法、系统、装置及存储介质

Info

Publication number: CN114725682A
Application number: CN202210411840.1A
Authority: CN
Inventors: 雷鸣; 陈涛; 贾鹏程; 孔翔鸣
Original assignee: Wuhan Xingban Communication Equipment Co ltd; Guangzhou Starway Communications Inc
Current assignee: Wuhan Xingban Communication Equipment Co ltd; Guangzhou Starway Communications Inc
Priority date: 2022-04-19
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2022-07-08
Anticipated expiration: 2042-04-19
Also published as: CN114725682B

Abstract

本发明公开了一种相控阵波束指向设计方法、系统、装置及存储介质。相控阵波束指向设计方法包括：获取波束指向和第一相位矩阵；根据所述波束指向计算第二相位矩阵；计算所述第二相位矩阵与所述第一相位矩阵的差值，得到第三相位矩阵；根据所述第三相位矩阵调整所述天线通道的相位，实现所述波束指向。本发明通过获取相控阵天线阵列的天线通道初始相位值构成的相位矩阵，即第一相位矩阵，并计算目标相位值构成的相位矩阵与第一相位矩阵的差值得到每个天线通道的移相值，消除了天线通到初始相位值以及由相控阵天线的一致性引起天线通道相位误差对波束指向实现的影响，提高了波束指向设计的精度和适用性。

Description

一种相控阵波束指向设计方法、系统、装置及存储介质

技术领域

本申请涉及天线技术领域，尤其是一种相控阵波束指向设计方法、系统、装置及存储介质。

背景技术

相控阵天线由天线阵列、相位和幅度调制器、功率合成或分配网络、波束控制分系统以及主控计算机组成。其中，天线阵列为空间电磁波与系统电信号的转换器，天线阵列的波束方向图描述了天线辐射空间电磁波的集束程度。相控阵天线阵列一般要求天线阵列的波束方向图在预定空域形成特定形状和波束快速扫描的能力。天线阵列各阵元接入相位和幅度调制器(如移相器、衰减器或功率放大器)，通过波束控制系统对天线阵列各阵元传输信号的幅度和相位进行控制，改变天线口面场分布，从而实现相控阵天线波束扫描。通过功率合成或分配网络可将各路信号合并为一路输入输出。

传统的相控阵波束指向设计原理是通过需要指向的角度来计算每一个天线通道对应的相位值，然后将每个通道对应的相位值写入对应通道的移相器中，从而实现波束的指向。传统的相控阵波束指向设计仅适用于每个阵面不存在初始相位(初始相位为0)和相位误差的场景。然而，在实际的相控阵天线设计过程中，相控阵天线的阵面往往存在初始相位，并且由于器件的一致性问题，每个天线通道会存在一定的相位误差。因此，在实际的相控阵天线设计中，传统相控阵波束指向设计方法的可靠性低，波束指向设计效果差。

发明内容

本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明实施例的一个目的在于提供一种相控阵波束指向设计方法、系统、装置及存储介质，以提高相控阵波束指向设计的精度和适用性。

为了达到上述技术目的，本发明实施例所采取的技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供了一种相控阵波束指向设计方法，所述片上网络包括多个路由节点，所述方法包括以下步骤：

获取波束指向和第一相位矩阵，所述第一相位矩阵为相控阵天线阵列的各个天线通道的初始相位值构成的相位矩阵；

根据所述波束指向计算第二相位矩阵，所述第二相位矩阵为相控阵实现所述波束指向时各个所述天线通道的相位值构成的相位矩阵；

计算所述第二相位矩阵与所述第一相位矩阵的差值，得到第三相位矩阵；

根据所述第三相位矩阵调整所述天线通道的相位，实现所述波束指向。

本发明实施例的一种相控阵波束指向设计方法，通过获取相控阵天线阵列的天线通道初始相位值构成的相位矩阵，即第一相位矩阵，并计算目标相位值构成的相位矩阵与第一相位矩阵的差值得到每个天线通道的移相值，消除了天线通到初始相位值以及由相控阵天线的一致性引起天线通道相位误差对波束指向实现的影响，提高了波束指向设计的精度和适用性。

另外，根据本发明上述实施例的一种相控阵波束指向设计方法，还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，本发明实施例的一种相控阵波束指向设计方法中，所述获取第一相位矩阵，包括：

依次开启所述天线通道，测量得到所述初始相位值；

根据所述初始相位值生成所述第一相位矩阵。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述波束指向计算第二相位矩阵，包括：

根据所述波束指向，通过波束指向公式计算各个所述天线通道的目标相位值，所述目标相位值为相控阵实现所述波束指向时各个所述天线通道的相位值；

根据所述目标相位值生成所述第二相位矩阵。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述第三相位矩阵调整所述天线通道的相位，实现所述波束指向，包括：

将所述第三相位矩阵中的每个元素与360°取模，生成移相角度矩阵；

根据所述移相角度矩阵调整所述天线通道的相位，实现所述波束指向。

第二方面，本发明实施例提出了一种相控阵波束指向设计系统，包括：

波束指向获取模块，用于获取波束指向；

第一相位矩阵获取模块，用于获取第一相位矩阵；

第二相位矩阵计算模块，用于根据所述波束指向计算第二相位矩阵；

第三相位矩阵计算模块，用于计算所述第二相位矩阵与所述第一相位矩阵的差值，得到第三相位矩阵；

波束指向实现模块，用于根据所述第三相位矩阵调整天线通道的相位，实现所述波束指向。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一相位矩阵获取模块包括：

初始相位值计算模块，用于依次开启所述天线通道，测量得到所述初始相位值；

第一相位矩阵生成模块，用于根据所述初始相位值生成所述第一相位矩阵。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第二相位矩阵计算模块包括：

目标相位值计算模块，用于根据所述波束指向，通过波束指向公式计算各个所述天线通道的目标相位值；

第二相位矩阵生成模块，用于根据所述目标相位值生成所述第二相位矩阵。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述波束指向实现模块包括：

移相角度矩阵生成模块，用于将所述第三相位矩阵中的每个元素与360°取模，生成移相角度矩阵；

移相模块，用于根据所述移相角度矩阵调整所述天线通道的相位，实现所述波束指向。

第三方面，本发明实施例提供了一种相控阵波束指向设计装置，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器实现所述的一种相控阵波束指向设计方法。

第四方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现所述的一种相控阵波束指向设计方法。

本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到：

本发明实施例通过获取相控阵天线阵列的天线通道初始相位值构成的相位矩阵，即第一相位矩阵，并计算目标相位值构成的相位矩阵与第一相位矩阵的差值得到每个天线通道的移相值，消除了天线通到初始相位值以及由相控阵天线的一致性引起天线通道相位误差对波束指向实现的影响，提高了波束指向设计的精度和适用性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本申请实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本申请的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1为本发明一种相控阵波束指向设计方法具体实施例的流程示意图；

图2为本发明一种相控阵波束指向设计方法具体实施例的天线阵列示意图；

图3为本发明一种相控阵波束指向设计系统具体实施例的结构示意图；

图4为本发明一种相控阵波束指向设计装置具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

为此，本发明提出了一种相控阵波束指向设计方法和系统。本发明通过获取相控阵天线阵列的天线通道初始相位值构成的相位矩阵，即第一相位矩阵，并计算目标相位值构成的相位矩阵与第一相位矩阵的差值得到每个天线通道的移相值，消除了天线通到初始相位值以及由相控阵天线的一致性引起天线通道相位误差对波束指向实现的影响，提高了波束指向设计的精度和适用性。

下面参照附图详细描述根据本发明实施例提出的一种相控阵波束指向设计方法和系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种相控阵波束指向设计方法。

参照图1，本发明实施例中提供一种相控阵波束指向设计方法，本发明实施例中的一种相控阵波束指向设计方法，可应用于终端中，也可应用于服务器中，还可以是运行于终端或服务器中的软件等。终端可以是平板电脑、笔记本电脑、台式计算机等，但并不局限于此。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务、内容分发网络(CDN)、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。本发明实施例中的一种相控阵波束指向设计方法主要包括以下步骤：

S101、获取波束指向和第一相位矩阵；

其中，所述波束指向为相控阵天线阵列的目标波束指向，在本发明的一个实施例中，所述波束指向用球坐标表示。所述第一相位矩阵为相控阵天线阵列的各个天线通道的初始相位值构成的相位矩阵。

具体地，参照图2，在实际的场景中，由于指标的需求，相控阵天线阵列的各个天线通道存在初始相位值。可以理解的是，相控阵天线阵列不一定为方形阵列。在本发明的实施例中，若相控阵天线阵列为方形阵列，则无需对天线阵列的阵面进行扩充；若相控阵天线阵列不为方形阵列，则根据天线阵列中每行天线通道的初始相位值将天线阵列的阵面扩充为方形阵列，从而根据天线阵列排布将各个天线通道的初始相位值排列成所述第一相位矩阵。

在本发明的一个实施例中，所述波束指向在球坐标系中的球坐标为

其中θ为离轴角，

为方位角。参照图2，球坐标系的x轴和y轴在天线阵列的阵面上，与阵面平行。

在本发明的实施例中，第一相位矩阵的获取步骤包括：

(1)依次开启所述天线通道，测量得到所述初始相位值；

(2)根据所述初始相位值生成所述第一相位矩阵。

第一相位矩阵：

S102、根据所述波束指向计算第二相位矩阵；

其中，所述第二相位矩阵为相控阵实现所述波束指向时各个所述天线通道的相位值构成的相位矩阵。

S102可以进一步划分为以下步骤S1021-S1022：

步骤S1021、根据所述波束指向，通过波束指向公式计算各个所述天线通道的目标相位值；

其中，所述目标相位值为相控阵实现所述波束指向时各个所述天线通道的相位值。

具体地，根据步骤S101可知，在本发明的一个实施例中，所述波束指向在球坐标系中的球坐标为

根据波束指向和波束指向公式进行计算，得到各个所述天线通道的目标相位值：

其中，d表示各个天线阵列单元的间距，单位为mm；f表示移相频率，单位为GHz。

步骤S1022、根据所述目标相位值生成所述第二相位矩阵。

具体地，根据步骤S101可知，相控阵天线阵列不一定为方形阵列。在本发明的实施例中，若相控阵天线阵列为方形阵列，则无需对天线阵列的阵面进行扩充；若相控阵天线阵列不为方形阵列，则根据天线阵列中每行天线通道的目标相位值将天线阵列的阵面扩充为方形阵列，从而根据天线阵列排布将各个天线通道的目标相位值排列成所述第二相位矩阵。

结合步骤S1021计算得到的目标相位值，第二相位矩阵：

S103、计算所述第二相位矩阵与所述第一相位矩阵的差值，得到第三相位矩阵；

具体地，通过步骤S1022生成的第二相位矩阵减去步骤S101获取的第一相位矩阵，得到每个天线通道的移相值构成的相位矩阵，即所述第三相位矩阵：

S104、根据所述第三相位矩阵调整所述天线通道的相位，实现所述波束指向。

S104可以进一步划分为以下步骤S1041-S1042：

步骤S1041、将所述第三相位矩阵中的每个元素与360°取模，生成移相角度矩阵；

具体地，将所述第三相位矩阵中的每个元素，即每个天线通道的移相值与360°取模，得到0-360°范围内的移相角度，从而得到所述移相角度矩阵。

步骤S1042、根据所述移相角度矩阵调整所述天线通道的相位，实现所述波束指向。

根据步骤S101-S104所述可知，本发明实施例的一种相控阵波束指向设计方法，通过获取相控阵天线阵列的天线通道初始相位值构成的相位矩阵，即所述第一相位矩阵，并计算目标相位值构成的相位矩阵与所述第一相位矩阵的差值得到每个天线通道的移相值，消除了天线通到初始相位值以及由相控阵天线的一致性引起天线通道相位误差对所述波束指向实现的影响，提高了波束指向设计的精度和适用性。

其次，参照附图描述根据本申请实施例提出的一种相控阵波束指向设计系统。

图3是本申请一个实施例的一种相控阵波束指向设计系统结构示意图。

所述系统具体包括：

波束指向获取模块301，用于获取波束指向；

第一相位矩阵获取模块302，用于获取第一相位矩阵；

第二相位矩阵计算模块303，用于根据所述波束指向计算第二相位矩阵；

第三相位矩阵计算模块304，用于计算所述第二相位矩阵与所述第一相位矩阵的差值，得到第三相位矩阵；

波束指向实现模块305，用于根据所述第三相位矩阵调整天线通道的相位，实现所述波束指向。

可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

参照图4，本申请实施例提供了一种相控阵波束指向设计装置，包括：

至少一个处理器401；

至少一个存储器402，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器401执行时，使得所述至少一个处理器401实现所述的一种相控阵波束指向设计方法。

同理，上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本申请的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干程序用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行程序的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供程序执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从程序执行系统、装置或设备取程序并执行程序的系统)使用，或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供程序执行系统、装置或设备或结合这些程序执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的程序执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种相控阵波束指向设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种相控阵波束指向设计方法，其特征在于，所述获取第一相位矩阵，包括：

依次开启所述天线通道，测量得到所述初始相位值；

根据所述初始相位值生成所述第一相位矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种相控阵波束指向设计方法，其特征在于，所述根据所述波束指向计算第二相位矩阵，包括：

根据所述目标相位值生成所述第二相位矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种相控阵波束指向设计方法，其特征在于，所述根据所述第三相位矩阵调整所述天线通道的相位，实现所述波束指向，包括：

5.一种相控阵波束指向设计系统，其特征在于，包括：

波束指向获取模块，用于获取波束指向；

第一相位矩阵获取模块，用于获取第一相位矩阵；

6.根据权利要求5所述的一种相控阵波束指向设计系统，其特征在于，所述第一相位矩阵获取模块包括：

7.根据权利要求5所述的一种相控阵波束指向设计系统，其特征在于，所述第二相位矩阵计算模块包括：

8.根据权利要求5所述的一种相控阵波束指向设计系统，其特征在于，所述波束指向实现模块包括：

9.一种相控阵波束指向设计装置，其特征在于，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-4中任一项所述的一种相控阵波束指向设计方法。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，其特征在于：所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于实现如权利要求1-4中任一项所述的一种相控阵波束指向设计方法。