CN115034075A - 非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法 - Google Patents

非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115034075A
CN115034075A CN202210710497.0A CN202210710497A CN115034075A CN 115034075 A CN115034075 A CN 115034075A CN 202210710497 A CN202210710497 A CN 202210710497A CN 115034075 A CN115034075 A CN 115034075A
Authority
CN
China
Prior art keywords
unit
vector
coordinate system
rotation
representative
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210710497.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115034075B (zh
Inventor
刘颜回
肖凡
李明
游鹏飞
陈礼阳
杨仕文
胡俊
聂在平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN202210710497.0A priority Critical patent/CN115034075B/zh
Publication of CN115034075A publication Critical patent/CN115034075A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115034075B publication Critical patent/CN115034075B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/15—Correlation function computation including computation of convolution operations

Abstract

本发明公开了一种非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法，包括如下：根据非规则天线阵列平台的相似程度将其分为不同区域，在各区域内，划分边缘单元子区域和中心单元子区域并选取代表性单元；分别在各子区域中，将代表性单元依据强弱互耦区域条件组成小阵列进行全波仿真，得到其在局部阵列互耦环境下的矢量有源单元方向图及增益；分别在各子区域中，利用代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影得到该区域其他单元的矢量有源单元方向图的标量值和单位方向向量；将所有区域的有源单元方向图矢量叠加，得到非规则天线阵列的矢量增益方向图。该发明能够快速精准预测非规则天线阵列的矢量增益方向图。

Description

非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法
【技术领域】
本发明涉及共形非规则相控阵天线技术领域，特别涉及一种非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法
【背景技术】
在非规则天线阵列中，由于各个单元在全局坐标系中的法向指向和空间极化分布差异较大，导致非规则天线阵列中单元方向图差异很大，主极化方向各不相同，存在极化合成的损失以及高交叉极化电平的问题。现有的很多技术以理想点源或标量方向图综合技术为主，并不能真正反映非规则天线阵列的实际辐射特性。如果使用有源单元方向图，虽然可以较为准确的反映各单元的辐射特性，但是必须在阵元位置确定的基础上，通过测试或者全波仿真获得，因此对于阵列规模较大或者需要进行阵列位置优化的情形，资源和时间上都需要较大的开销。综上所述，研究精确获取非规则天线阵列天线环境下每个单元的有源单元方向图的快速算法以及非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法具有非常强的现实意义和应用价值。现有技术中：
专利号CN201711066973.5(“一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法”)提供了一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法。该方法可以通过加入极化补偿相位可以实现曲面共形圆极化相控阵天线波束合成，方法简单，计算速度快。但是该方法需要已知每个单元的局部方向图，对于大规模非规则天线阵列全波仿真不太容易实现且不能得到阵列的增益值。
专利号CN201510344233.8(“大规模MIMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法”)提供了一种大规模MIMO阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法。该方法利用迭代散射算法和子阵划分计算大规模阵列天线远场辐射场，合成精度高，分析速度快。但是该方法不适用于共形非规则天线阵列天线，无法对极化分布精准描述。
专利号CN202010065718.4(“一种曲面共形阵列目标电磁特性分析方法及系统”)提供了一种曲面共形阵列目标电磁特性分析方法及系统。该方法利用并行处理综合函数矩量法提高传统矩量法的处理效率。但是其还是通过传统算法计算阵列方向图，对于大规模非规则天线阵列来说，资源和时间消耗大。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有的共形阵列快速算法技术存在的上述缺点，提出一种非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法，该方法可以在非规则天线阵列中利用区域划分和代表性单元的矢量有源单元方向图的旋转、插值、平移和投影技术快速精准预测非规则天线阵列的矢量增益方向图，大大节省了全波仿真的计算时间，对未来大规模非规则天线阵列的快速综合提供了坚实的支撑。
本发明的一种非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法，包括如下步骤：
步骤1：根据非规则天线阵列平台的相似程度将其分为不同区域，在各区域内，划分边缘单元子区域和中心单元子区域并选取代表性单元；
步骤1中的区域及边缘单元子区域和中心单元子区域划分具体为：首先，根据单元所处的阵列环境的不同，可首先将阵列平台依据平台的相似程度分为不同的区域。然后，在相同区域中，再将单元分为边缘单元子区域和中心单元子区域。其中，边缘单元子区域可有多个不同的小区域。
在此基础上，分别选择每类区域的代表性单元，其一般为中间的单元。
步骤2：分别在各子区域中，将代表性单元依据强弱互耦区域条件组成小阵列进行全波仿真，得到其在局部阵列互耦环境下的矢量有源单元方向图及增益；
步骤2中的将代表性单元依据强弱互耦区域条件组成小阵列进行全波仿真，具体操作为：经过步骤1划分区域和选取代表性单元之后，在每一个区域内，利用强弱互耦区域条件，将代表性单元组成小阵，进行全波仿真，得到代表性单元的矢量有源单元方向图及增益。
其中，强弱互耦区域条件可表述为：在考虑每个区域的代表性单元的有源单元增益方向图的提取，可以将阵列其他单元对其的影响分为强耦合区域和弱耦合区域。对于强耦合区域的单元，则在假定它们具有与待分析单元相同的工作状态情况下进行精确建模；对于弱耦合区域的单元和平台，由于其贡献较弱，可将其建模成具有单元形状的背景平台材料，仅计入散射项贡献。
考虑到计算复杂性，可将距离待分析单元的相邻单元划分为强耦合区域。其余单元和平台则分为弱耦合区域。
步骤3：分别在各子区域中，利用代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影得到该区域其他单元的矢量有源单元方向图的标量值和单位方向向量；
步骤3中的代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影具体操作为：
首先，建立局部坐标系，假定代表性单元位于坐标原点，单元指向(最大辐射方向)为坐标系的Z轴方向
Figure BDA0003707775740000021
与指向正交的平面内任意找一向量作为旋向的参考方向，同时为坐标系的X方向
Figure BDA0003707775740000022
则通过向量叉乘运算可以得到坐标系的Y轴方向
Figure BDA0003707775740000023
再建立全局坐标系，原点为O，坐标系X轴、Y轴、Z轴方向分别为
Figure BDA0003707775740000024
考虑该区域阵列中第n个单元在全局坐标系中的位置为(xn,yn,zn)。
然后，进行旋转变换，整个变换过程分解为四步：绕
Figure BDA0003707775740000025
旋转A(n)，绕
Figure BDA0003707775740000026
旋转B(n)，绕
Figure BDA0003707775740000027
旋转C(n)，由原点O平移至(xn,yn,zn)实现单元空间位置改变。其中，前三步旋转操作对应的坐标变换矩阵分别为T1，T2，T3，则
Figure BDA0003707775740000028
Figure BDA0003707775740000029
Figure BDA00037077757400000210
Figure BDA00037077757400000211
为旋转前单元方向图的一观测方向上的单位向量，其于全局坐标系下的俯仰角和方位角分别为θ和φ，则
Figure BDA00037077757400000212
在全局坐标系下的坐标(ux,uy,uz)，其中ux＝sinθcosφ，uy＝sinθsinφ，uz＝cosθ。将
Figure BDA00037077757400000213
经过上述旋转后得到单位向量
Figure BDA00037077757400000214
借助旋转变换总矩阵TG2L＝(T1·T2·T3)-1，可得此时
Figure BDA00037077757400000215
的坐标为
Figure BDA0003707775740000031
进而可得
Figure BDA0003707775740000032
在全局坐标系下的俯仰角和方位角
Figure BDA0003707775740000033
Figure BDA0003707775740000034
在代表性单元旋转前，其在
Figure BDA0003707775740000035
方向上的远场场强为
Figure BDA0003707775740000036
其中，Eθ(θ,φ)和Eφ(θ,φ)分别为
Figure BDA0003707775740000037
在球坐标系的单位坐标向量
Figure BDA0003707775740000038
和
Figure BDA0003707775740000039
上的投影，并且
Figure BDA00037077757400000310
在代表性单元旋转后，其在
Figure BDA00037077757400000311
方向上的远场场强为：
Figure BDA00037077757400000312
同样，其中
Figure BDA00037077757400000313
和
Figure BDA00037077757400000314
分别为
Figure BDA00037077757400000315
在新球坐标系中
Figure BDA00037077757400000316
和
Figure BDA00037077757400000317
上的投影，且
Figure BDA00037077757400000318
借助旋转矩阵TG2L，可得
Figure BDA00037077757400000319
和
Figure BDA00037077757400000320
为原球坐标系的
Figure BDA00037077757400000321
和
Figure BDA00037077757400000322
经过旋转变换后得到的单位坐标向量。
由
Figure BDA00037077757400000323
可得：
Figure BDA00037077757400000324
Figure BDA00037077757400000325
当对俯仰角域Θ和方位角域Φ均匀采样，经过旋转变换得到的
Figure BDA00037077757400000326
和
Figure BDA00037077757400000327
通常不能恰好位于均匀采样网格点上，均匀采样网格点上的值可通过二维插值方法获得。
最后，以上旋转操作都还没有考虑单元的平移，在得到旋转后的单元方向图需要再乘上空间相位差：
Figure BDA00037077757400000328
和
Figure BDA00037077757400000332
其中
Figure BDA00037077757400000333
为平移后孤立单元的位置矢量，
Figure BDA00037077757400000331
β＝2π/λ，λ是天线工作的波长。
步骤4：将所有区域的有源单元方向图矢量叠加，得到非规则天线阵列的矢量增益方向图。
步骤4中的将所有区域的有源单元方向图矢量叠加具体如下所述：
首先，引入主极化和交叉极化定义：
Figure BDA0003707775740000041
Figure BDA0003707775740000042
其中，
Figure BDA0003707775740000043
为期望的极化方向，
Figure BDA0003707775740000044
和
Figure BDA0003707775740000045
为主极化方向和交叉极化方向。
若经过步骤3，已知每个区域每个单元的矢量有源单元方向图，可得每个单元的主极化和交叉极化的含增益的有源单元方向图：
Figure BDA0003707775740000046
Figure BDA0003707775740000047
其中，G0,θ和G0,φ分别为各自代表性单元的θ和φ极化的最大增益，
Figure BDA0003707775740000048
和
Figure BDA0003707775740000049
为步骤3得到的单元在θ极化和φ极化的归一化有源单元场方向图。
最后，利用矢量叠加可得：
Figure BDA00037077757400000410
Figure BDA00037077757400000411
其中，αn为第n个单元的激励相位，In为第n个单元的激励幅度。
最终得到了非规则天线阵列的矢量增益方向图。
本发明的优点在于：
1.本发明主要由两部分组成，第一个是基于区域分解将阵列分为不同的小区域，第二个是基于代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影得到该区域其他单元的矢量有源单元方向图的标量值和单位方向向量。
2.基于如上两点，可以快速精准预测非规则天线阵列的矢量增益方向图，大大节省了全波仿真的计算时间，对未来大规模非规则天线阵列的快速综合提供了坚实的支撑。
【附图说明】
图1是本发明的非规则天线阵列的增益方向图快速预测方法的流程图；
图2是本发明的80元非规则天线阵列的模型示意图；
图3是本发明的80元非规则天线阵列区域分解的模型示意图；
图4是本发明80元非规则天线阵列的主极化和交叉极化的预测和全波仿真的对比图。
【具体实施方式】
现结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明的非规则天线阵列的增益方向图快速预测方法，包括以下步骤：
步骤1：根据非规则天线阵列平台的相似程度将其分为不同区域，在各区域内，划分边缘单元子区域和中心单元子区域并选取代表性单元；
如图3所示，步骤1中的区域及边缘单元子区域和中心单元子区域划分具体为：首先，根据单元所处的阵列环境的不同，可首先将阵列平台依据平台的相似程度分为不同的区域。然后，在相同区域中，再将单元分为边缘单元子区域和中心单元子区域。其中，边缘单元子区域可有多个不同的小区域。
在此基础上，分别选择每类区域的代表性单元，其一般为中间的单元。
步骤2：分别在各子区域中，将代表性单元依据强弱互耦区域条件组成小阵列进行全波仿真，得到其在局部阵列互耦环境下的矢量有源单元方向图及增益；
步骤2中的依据强弱互耦区域条件组成小阵列进行全波仿真，具体操作为：经过步骤1划分区域和选取代表性单元之后，在每一个区域内，将其余单元删去，只剩下代表性单元及相邻单元。
步骤3：分别在各子区域中，利用代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影得到该区域其他单元的矢量有源单元方向图的标量值和单位方向向量；
步骤3中的代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影具体操作为：
首先，建立局部坐标系，假定代表性单元位于坐标原点，单元指向(最大辐射方向)为坐标系的Z轴方向
Figure BDA0003707775740000051
与指向正交的平面内任意找一向量作为旋向的参考方向，同时为坐标系的X方向
Figure BDA0003707775740000052
则通过向量叉乘运算可以得到坐标系的Y轴方向
Figure BDA0003707775740000053
再建立全局坐标系，原点为O，坐标系X轴、Y轴、Z轴方向分别为
Figure BDA0003707775740000054
考虑该区域阵列中第n个单元在全局坐标系中的位置为(xn,yn,zn)。
然后，进行旋转变换，整个变换过程分解为四步：绕
Figure BDA0003707775740000055
旋转A(n)，绕
Figure BDA0003707775740000056
旋转B(n)，绕
Figure BDA0003707775740000057
旋转C(n)，由原点O平移至(xn,yn,zn)实现单元空间位置改变。其中，前三步旋转操作对应的坐标变换矩阵分别为T1，T2，T3，则
Figure BDA0003707775740000058
Figure BDA0003707775740000059
Figure BDA0003707775740000061
Figure BDA0003707775740000062
为旋转前单元方向图的一观测方向上的单位向量，其于全局坐标系下的俯仰角和方位角分别为θ和φ，则
Figure BDA0003707775740000063
在全局坐标系下的坐标(ux,uy,uz)，其中ux＝sinθcosφ，uy＝sinθsinφ，uz＝cosθ。将
Figure BDA0003707775740000064
经过上述旋转后得到单位向量
Figure BDA0003707775740000065
借助旋转变换总矩阵TG2L＝(T1·T2·T3)-1，可得此时
Figure BDA0003707775740000066
的坐标为
Figure BDA0003707775740000067
进而可得
Figure BDA0003707775740000068
在全局坐标系下的俯仰角和方位角
Figure BDA0003707775740000069
Figure BDA00037077757400000610
在代表性单元旋转前，其在
Figure BDA00037077757400000611
方向上的远场场强为
Figure BDA00037077757400000612
其中，Eθ(θ,φ)和Eφ(θ,φ)分别为
Figure BDA00037077757400000613
在球坐标系的单位坐标向量
Figure BDA00037077757400000614
和
Figure BDA00037077757400000615
上的投影，并且
Figure BDA00037077757400000616
在代表性单元旋转后，其在
Figure BDA00037077757400000617
方向上的远场场强为：
Figure BDA00037077757400000618
同样，其中
Figure BDA00037077757400000619
和
Figure BDA00037077757400000620
分别为
Figure BDA00037077757400000621
在新球坐标系中
Figure BDA00037077757400000622
和
Figure BDA00037077757400000623
上的投影，且
Figure BDA00037077757400000624
借助旋转矩阵TG2L，可得
Figure BDA00037077757400000625
和
Figure BDA00037077757400000626
为原球坐标系的
Figure BDA00037077757400000627
和
Figure BDA00037077757400000628
经过旋转变换后得到的单位坐标向量。
由
Figure BDA00037077757400000629
可得：
Figure BDA00037077757400000630
Figure BDA00037077757400000631
当对俯仰角域Θ和方位角域Φ均匀采样，经过旋转变换得到的
Figure BDA0003707775740000071
和
Figure BDA0003707775740000072
通常不能恰好位于均匀采样网格点上，均匀采样网格点上的值可通过二维插值方法获得。
最后，以上旋转操作都还没有考虑单元的平移，在得到旋转后的单元方向图需要再乘上空间相位差：
Figure BDA0003707775740000073
和
Figure BDA0003707775740000074
其中
Figure BDA0003707775740000075
为平移后孤立单元的位置矢量，
Figure BDA0003707775740000076
β＝2π/λ，λ是天线工作的波长。
步骤4：将所有区域的有源单元方向图矢量叠加，得到非规则天线阵列的矢量增益方向图。
步骤4中的将所有区域的有源单元方向图矢量叠加具体如下所述：
首先，引入主极化和交叉极化定义：
Figure BDA0003707775740000077
Figure BDA0003707775740000078
其中，
Figure BDA0003707775740000079
为期望的极化方向，
Figure BDA00037077757400000710
和
Figure BDA00037077757400000711
为主极化方向和交叉极化方向。
若经过步骤3，已知每个区域每个单元的矢量有源单元方向图，可得每个单元的主极化和交叉极化的含增益的有源单元方向图：
Figure BDA00037077757400000712
Figure BDA00037077757400000713
其中，G0,θ和G0,φ分别为各自代表性单元的θ和φ极化的最大增益，
Figure BDA00037077757400000714
和
Figure BDA00037077757400000715
为步骤3得到的单元在θ极化和φ极化的归一化有源单元场方向图。
最后，利用矢量叠加可得：
Figure BDA00037077757400000716
Figure BDA00037077757400000717
最终得到了非规则天线阵列的矢量增益方向图。
本发明所提出的非规则天线阵列的增益方向图快速预测方法，可以进一步通过以下具体的仿真实例来验证并说明。
仿真实例：
本实例的非规则天线阵列如图2所示，由金属地板、介质基板和U形贴片单元组成。介质基板是Rogers 5880(εr＝2.2)，总单元数共80元，工作频率为10GHz。如图3所示，依据区域分解方法将总阵列划分为12个子区域，然后分别选取代表性单元，括号内的为选取的代表性单元。分别将其与相邻单元组成小阵列进行全波仿真，提取有源单元方向图和增益。利用代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影得到该区域其他单元的矢量有源单元方向图的标量值和单位方向向量。设置x极化为期望的主极化，将其矢量叠加得到总阵列的矢量增益方向图，如图4所示。全波仿真的主极化增益为23.4181dBi，本方法预测的主极化增益为23.2745dBi。在已知所有代表性单元的有源单元方向图之后，剩余步骤的计算时间仅为7.9s。(PC:Inter Core 17-10700K CPU@3.8GHz,RAM:32GB)
该仿真结果表明本发明快速精准预测非规则天线阵列的矢量增益方向图，增益差值仅为0.1436dBi，方向图预测和全波仿真结果也比较吻合，大大节省了全波仿真的计算时间，对未来大规模非规则天线阵列的快速综合提供了坚实的支撑。
最后需要指出的是：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 (5)

1.非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据非规则天线阵列平台的相似程度将其分为不同区域，在各区域内，划分边缘单元子区域和中心单元子区域并选取代表性单元；
步骤2：分别在各子区域中，将代表性单元依据强弱互耦区域条件组成小阵列进行全波仿真，得到其在局部阵列互耦环境下的矢量有源单元方向图及增益；
步骤3：分别在各子区域中，利用代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影得到该区域其他单元的矢量有源单元方向图的标量值和单位方向向量；
步骤4：将所有区域的有源单元方向图矢量叠加，得到非规则天线阵列的矢量增益方向图。
2.如权利要求1所述的非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法，其特征在于，所述步骤1中的区域及边缘单元子区域和中心单元子区域划分具体可表述为：
(101)根据单元所处的阵列环境的不同，可首先将阵列平台依据平台的相似程度分为不同的区域，在相同区域中，再将单元分为边缘单元子区域和中心单元子区域，边缘单元子区域可有多个不同的区域；
(102)在此基础上，分别选择每类区域的代表性单元，其一般为中间的单元。
3.如权利要求1所述的非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法，其特征在于，所述步骤2中分别将代表性单元依据强弱互耦区域条件组成小阵列进行全波仿真，得到其在局部阵列互耦环境下的矢量有源单元方向图及增益具体可表述为：
(201)在考虑每个区域的代表性单元的有源单元增益方向图的提取，可以将阵列其他单元对其的影响分为强耦合区域和弱耦合区域；对于强耦合区域的单元，则在假定它们具有与待分析单元相同的工作状态情况下进行精确建模；对于弱耦合区域的单元和平台，由于其贡献较弱，可将其建模成具有单元形状的背景平台材料，仅计入散射项贡献；
(202)考虑到计算复杂性，可将距离待分析单元的相邻单元划分为强耦合区域，其余为弱耦合区域；划分强弱耦合区域之后，进行全波仿真，得到各类区域的代表性单元的矢量有源单元方向图及增益。
4.如权利要求1所述的非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法，其特征在于，所述步骤3中的利用代表性单元和坐标系的旋转、二维插值和平移以及坐标系单位向量的旋转、投影得到该区域其他单元的矢量有源单元方向图的标量值和单位方向向量具体可表述为：
(301)建立局部坐标系，假定代表性单元位于坐标原点，单元指向(最大辐射方向)为坐标系的Z轴方向
Figure FDA0003707775730000011
与指向正交的平面内任意找一向量作为旋向的参考方向，同时为坐标系的X方向
Figure FDA0003707775730000012
则通过向量叉乘运算可以得到坐标系的Y轴方向
Figure FDA0003707775730000013
(302)建立全局坐标系，原点为O，坐标系X轴、Y轴、Z轴方向分别为
Figure FDA0003707775730000014
考虑该区域阵列中第n个单元在全局坐标系中的位置为(xn,yn,zn)；
(303)整个变换过程分解为四步：绕
Figure FDA0003707775730000015
旋转A(n)，绕
Figure FDA0003707775730000016
旋转B(n)，绕
Figure FDA0003707775730000017
旋转C(n)，由原点O平移至(xn,yn,zn)实现单元空间位置改变；其中，前三步旋转操作对应的坐标变换矩阵分别为T1，T2，T3，则
Figure FDA0003707775730000021
Figure FDA0003707775730000022
Figure FDA0003707775730000023
(304)
Figure FDA0003707775730000024
为旋转前单元方向图的一观测方向上的单位向量，其于全局坐标系下的俯仰角和方位角分别为θ和φ，则
Figure FDA0003707775730000025
在全局坐标系下的坐标(ux,uy,uz)，其中ux＝sinθcosφ，uy＝sinθsinφ，uz＝cosθ；将
Figure FDA0003707775730000026
经过(303)步骤旋转后得到单位向量
Figure FDA0003707775730000027
借助旋转变换总矩阵TG2L＝(T1·T2·T3)-1，可得此时
Figure FDA0003707775730000028
的坐标为
Figure FDA0003707775730000029
进而可得
Figure FDA00037077757300000210
在全局坐标系下的俯仰角和方位角
Figure FDA00037077757300000211
Figure FDA00037077757300000212
(305)在代表性单元旋转前，其在
Figure FDA00037077757300000213
方向上的远场场强为
Figure FDA00037077757300000214
其中，Eθ(θ,φ)和Eφ(θ,φ)分别为
Figure FDA00037077757300000215
在球坐标系的单位坐标向量
Figure FDA00037077757300000216
和
Figure FDA00037077757300000217
上的投影，并且
Figure FDA00037077757300000218
在代表性单元旋转后，其在
Figure FDA00037077757300000219
方向上的远场场强为：
Figure FDA00037077757300000220
其中
Figure FDA00037077757300000221
和
Figure FDA00037077757300000222
分别为
Figure FDA00037077757300000223
在新球坐标系中
Figure FDA00037077757300000224
和
Figure FDA00037077757300000225
上的投影，且
Figure FDA00037077757300000226
借助旋转矩阵TG2L，可得
Figure FDA00037077757300000227
和
Figure FDA00037077757300000228
为原球坐标系的
Figure FDA00037077757300000229
和
Figure FDA00037077757300000230
经过旋转变换后得到的单位坐标向量；
由
Figure FDA0003707775730000031
可得：
Figure FDA0003707775730000032
Figure FDA0003707775730000033
(306)当对俯仰角域Θ和方位角域Φ均匀采样，经过旋转变换得到的
Figure FDA0003707775730000034
和
Figure FDA0003707775730000035
通常不能恰好位于均匀采样网格点上，均匀采样网格点上的值可通过二维插值方法获得；
(307)以上旋转操作都还没有考虑单元的平移，在得到旋转后的单元方向图需要再乘上空间相位差：
Figure FDA0003707775730000036
和
Figure FDA0003707775730000037
其中
Figure FDA0003707775730000038
为平移后孤立单元的位置矢量，
Figure FDA0003707775730000039
β＝2π/λ，λ是天线工作的波长。
5.如权利要求1所述的非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法，其特征在于，所述步骤4中的将所有区域的有源单元方向图矢量叠加，得到非规则天线阵列的矢量增益方向图具体可表述为：
(501)引入主极化和交叉极化定义：
Figure FDA00037077757300000310
Figure FDA00037077757300000311
其中，
Figure FDA00037077757300000312
为期望的极化方向，
Figure FDA00037077757300000313
和
Figure FDA00037077757300000314
为主极化方向和交叉极化方向；
(502)若经过步骤3，已知每个区域每个单元的矢量有源单元方向图，可得每个单元的主极化和交叉极化的含增益的有源单元方向图：
Figure FDA00037077757300000315
Figure FDA00037077757300000316
其中，G0,θ和G0,φ分别为各自代表性单元的θ和φ极化的最大增益，
Figure FDA00037077757300000317
和
Figure FDA00037077757300000318
为步骤3得到的单元在θ极化和φ极化的归一化有源单元场方向图；
(503)利用矢量叠加可得：
Figure FDA0003707775730000041
Figure FDA0003707775730000042
其中，αn为第n个单元的激励相位，In为第n个单元的激励幅度。
CN202210710497.0A 2022-06-22 2022-06-22 非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法 Active CN115034075B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210710497.0A CN115034075B (zh) 2022-06-22 2022-06-22 非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210710497.0A CN115034075B (zh) 2022-06-22 2022-06-22 非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115034075A true CN115034075A (zh) 2022-09-09
CN115034075B CN115034075B (zh) 2023-11-24

Family

ID=83127848

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210710497.0A Active CN115034075B (zh) 2022-06-22 2022-06-22 非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115034075B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116933503A (zh) * 2023-06-28 2023-10-24 电子科技大学 大规模超宽带异构阵列的含互耦方向图快速近似分析方法

Citations (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1286001A (zh) * 1997-12-10 2001-02-28 埃瑞康姆公司 利用提供所需辐射方向图的天线阵列实现通信站的无线发送
GB0229121D0 (en) * 2002-12-13 2003-11-12 Bae Systems Plc Partitioning process for antenna or sensor array
US20110059713A1 (en) * 2007-12-28 2011-03-10 James Awuor Oduor Okello Signal processing for multi-sectored wireless communications system and method thereof
CN102445599A (zh) * 2011-11-16 2012-05-09 电子科技大学 一种阵列天线方向图的频域测量方法
CN102655276A (zh) * 2012-04-13 2012-09-05 北京航空航天大学 一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法
CN103246781A (zh) * 2013-05-17 2013-08-14 南京理工大学 基于空间映射的阵列天线雷达散射截面减缩方法
RU2499273C1 (ru) * 2012-06-18 2013-11-20 Марина Витальевна Самойленко Способ определения местоположений и мощностей источников излучения однопозиционной локационной станцией
CN104659482A (zh) * 2015-03-09 2015-05-27 西北工业大学 一种方向图对称的vivaldi天线阵列
CN104992001A (zh) * 2015-06-19 2015-10-21 中国人民解放军信息工程大学 大规模mimo阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法
CN105305098A (zh) * 2015-09-29 2016-02-03 电子科技大学 基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线及研制方法
CN105912742A (zh) * 2016-03-07 2016-08-31 中国人民解放军信息工程大学 基于对称特性快速计算大规模mimo阵列的远场辐射场方法
CN106126836A (zh) * 2016-06-28 2016-11-16 西安电子科技大学 基于加权法向回归法的阵列天线方向图拟合方法
CN106940739A (zh) * 2017-02-21 2017-07-11 西安电子科技大学 一种振动对机翼共形相控阵天线电性能影响的快速预测方法
CN107026686A (zh) * 2016-01-29 2017-08-08 南京理工大学 一种零陷跟踪干扰源的任意形状波束快速赋形方法
CN107038299A (zh) * 2017-04-10 2017-08-11 西安电子科技大学 一种考虑互耦效应的变形阵列天线远场方向图补偿方法
CN107103124A (zh) * 2017-04-10 2017-08-29 西安电子科技大学 一种基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法
WO2017147662A1 (en) * 2016-03-04 2017-09-08 The University Of Sydney Systems and methods of estimating channel parameters in a wireless communication system
CN107436970A (zh) * 2017-07-06 2017-12-05 西安电子工程研究所 基于序列二次规划的三坐标雷达赋形方向图设计方法
CN107622148A (zh) * 2017-08-29 2018-01-23 西安电子科技大学 基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构最佳弹性模量的确定方法
CN107657098A (zh) * 2017-09-15 2018-02-02 哈尔滨工程大学 基于量子鸡群演化机制的环形天线阵列稀疏方法
CN107888241A (zh) * 2017-11-03 2018-04-06 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法
WO2018116258A2 (en) * 2016-12-22 2018-06-28 Isotropic Systems Ltd System and method for providing a compact, flat, microwave lens with wide angular field of regard and wideband operation
CN108470096A (zh) * 2018-03-09 2018-08-31 西安电子科技大学 一种基于卡尔曼滤波的有源相控阵天线形面重构方法
CN109818157A (zh) * 2019-01-25 2019-05-28 电子科技大学 一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法
RU2694023C1 (ru) * 2018-07-11 2019-07-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ нахождения сопряженных векторов направлений на движущиеся объекты
CN110059422A (zh) * 2019-04-23 2019-07-26 北京环境特性研究所 频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法
CN113033080A (zh) * 2021-03-08 2021-06-25 浙江大学 一种基于解空间裁剪粒子群算法的共形阵方向图综合方法
CN113131225A (zh) * 2021-04-16 2021-07-16 电子科技大学 一种基于子阵阵因子增益最大化的不规则天线阵优化方法
CN114239251A (zh) * 2021-12-06 2022-03-25 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种近端多径条件下阵列测向精度的评估方法

Patent Citations (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1286001A (zh) * 1997-12-10 2001-02-28 埃瑞康姆公司 利用提供所需辐射方向图的天线阵列实现通信站的无线发送
GB0229121D0 (en) * 2002-12-13 2003-11-12 Bae Systems Plc Partitioning process for antenna or sensor array
US20110059713A1 (en) * 2007-12-28 2011-03-10 James Awuor Oduor Okello Signal processing for multi-sectored wireless communications system and method thereof
CN102445599A (zh) * 2011-11-16 2012-05-09 电子科技大学 一种阵列天线方向图的频域测量方法
CN102655276A (zh) * 2012-04-13 2012-09-05 北京航空航天大学 一种应用于无人机的共形相控阵天线增益方向图合成方法
RU2499273C1 (ru) * 2012-06-18 2013-11-20 Марина Витальевна Самойленко Способ определения местоположений и мощностей источников излучения однопозиционной локационной станцией
CN103246781A (zh) * 2013-05-17 2013-08-14 南京理工大学 基于空间映射的阵列天线雷达散射截面减缩方法
CN104659482A (zh) * 2015-03-09 2015-05-27 西北工业大学 一种方向图对称的vivaldi天线阵列
CN104992001A (zh) * 2015-06-19 2015-10-21 中国人民解放军信息工程大学 大规模mimo阵列天线远场辐射场的精确快速计算方法
CN105305098A (zh) * 2015-09-29 2016-02-03 电子科技大学 基于强互耦效应的超宽带共孔径相控阵天线及研制方法
CN107026686A (zh) * 2016-01-29 2017-08-08 南京理工大学 一种零陷跟踪干扰源的任意形状波束快速赋形方法
WO2017147662A1 (en) * 2016-03-04 2017-09-08 The University Of Sydney Systems and methods of estimating channel parameters in a wireless communication system
CN105912742A (zh) * 2016-03-07 2016-08-31 中国人民解放军信息工程大学 基于对称特性快速计算大规模mimo阵列的远场辐射场方法
CN106126836A (zh) * 2016-06-28 2016-11-16 西安电子科技大学 基于加权法向回归法的阵列天线方向图拟合方法
WO2018116258A2 (en) * 2016-12-22 2018-06-28 Isotropic Systems Ltd System and method for providing a compact, flat, microwave lens with wide angular field of regard and wideband operation
CN106940739A (zh) * 2017-02-21 2017-07-11 西安电子科技大学 一种振动对机翼共形相控阵天线电性能影响的快速预测方法
CN107038299A (zh) * 2017-04-10 2017-08-11 西安电子科技大学 一种考虑互耦效应的变形阵列天线远场方向图补偿方法
CN107103124A (zh) * 2017-04-10 2017-08-29 西安电子科技大学 一种基于机电耦合理论的变形阵列天线远场方向图分析方法
CN107436970A (zh) * 2017-07-06 2017-12-05 西安电子工程研究所 基于序列二次规划的三坐标雷达赋形方向图设计方法
CN107622148A (zh) * 2017-08-29 2018-01-23 西安电子科技大学 基于机电耦合的圆柱共形阵列天线结构最佳弹性模量的确定方法
CN107657098A (zh) * 2017-09-15 2018-02-02 哈尔滨工程大学 基于量子鸡群演化机制的环形天线阵列稀疏方法
CN107888241A (zh) * 2017-11-03 2018-04-06 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种曲面共形圆极化相控阵天线波束合成算法
CN108470096A (zh) * 2018-03-09 2018-08-31 西安电子科技大学 一种基于卡尔曼滤波的有源相控阵天线形面重构方法
RU2694023C1 (ru) * 2018-07-11 2019-07-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Способ нахождения сопряженных векторов направлений на движущиеся объекты
CN109818157A (zh) * 2019-01-25 2019-05-28 电子科技大学 一种基于不规则子阵的紧耦合超宽带天线阵列的构建方法
CN110059422A (zh) * 2019-04-23 2019-07-26 北京环境特性研究所 频率选择表面曲面天线罩的电磁散射特性仿真方法
CN113033080A (zh) * 2021-03-08 2021-06-25 浙江大学 一种基于解空间裁剪粒子群算法的共形阵方向图综合方法
CN113131225A (zh) * 2021-04-16 2021-07-16 电子科技大学 一种基于子阵阵因子增益最大化的不规则天线阵优化方法
CN114239251A (zh) * 2021-12-06 2022-03-25 中国电子科技集团公司第二十九研究所 一种近端多径条件下阵列测向精度的评估方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MOHAMMAD MONIRUJJAMAN KHAN ET AL.: "A review on machine learning and deep learning for various antenna design applications", 《HELIYON》, vol. 8, no. 4 *
张呈辉;曹祥玉;高军;李思佳;: "宽频带宽波束磁电偶极子天线设计", 电子与信息学报, no. 03 *
杨晶，刘颜回，白晶晶，柳清伙，聂在平: "交叉极化及副瓣约束的任意阵列最优方向性综合", 《电子学报》, vol. 45, no. 3, pages 712 - 718 *
欧阳骏;杨峰;聂在平;赵志钦;: "基于遗传算法的载体上共形天线阵列优化", 电波科学学报, no. 02 *
阙肖峰;聂在平;: "大型阵列结构电磁特性分析的特征基函数方法", 系统工程与电子技术, no. 11 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116933503A (zh) * 2023-06-28 2023-10-24 电子科技大学 大规模超宽带异构阵列的含互耦方向图快速近似分析方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN115034075B (zh) 2023-11-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gies et al. Particle swarm optimization for reconfigurable phase‐differentiated array design
Prado et al. Improved reflectarray phase-only synthesis using the generalized intersection approach with dielectric frame and first principle of equivalence
Prado et al. Efficient, accurate and scalable reflectarray phase-only synthesis based on the Levenberg-Marquardt algorithm
Yoo et al. Analytic model of a coax-fed planar cavity-backed metasurface antenna for pattern synthesis
Yang et al. Radiation pattern computation of pyramidal conformal antenna array with active-element pattern technique
CN115034075B (zh) 非规则天线阵列矢量增益方向图的快速精准预测方法
Marinović et al. Fast characterization of mutually coupled array antennas using isolated antenna far-field data
Prado The generalized intersection approach for electromagnetic array antenna beam-shaping synthesis: a review
Jouadé et al. Massively parallel implementation of FETI-2LM methods for the simulation of the sparse receiving array evolution of the GRAVES radar system for space surveillance and tracking
Chou et al. Efficient hybrid discrete Fourier transform-moment method for fast analysis of large rectangular arrays
Sipus et al. Study of mutual coupling between circular stacked-patch antennas on a sphere
Burkholder et al. A hybrid framework for antenna/platform analysis
Cui et al. Circular antenna array synthesis technique including mutual coupling using unit-excitation active element pattern
Lemberg et al. Method of anisotropic metasurface unit cell surface impedance calculation
Lin et al. An efficient matrix equation parallel direct solver for higher-order method of moments in solution of complex electromagnetic problems
Tap et al. A fast hybrid asymptotic and numerical physical optics analysis of very large scanning cylindrical reflectors with stacked linear array feeds
Prado et al. Research Article Improved Reflectarray Phase-Only Synthesis Using the Generalized Intersection Approach with Dielectric Frame and First Principle of Equivalence
Zhang et al. Design of a spherical conformal phased array antenna based on the truncated icosahedron
Boozari et al. New Method for Pattern Synthesizing of an Unequally Spaced Array with Dynamic Range Ratio Improvement
Panigrahi et al. Radiation pattern nulling in phased array antennas using superior discrete fourier transform and Dolph-Tschebyscheff based synthesis techniques
Rodriguez Prado et al. Comparison of Different Approaches in Reflectarray Synthesis Based on Intersection Approach
Gu et al. Synthesis of Sparse Circular-Arc Arrays with Wide Angle Scanning Based on Iterative Convex Optimization
Yu et al. An improved predesign procedure for shaped-beam reflectarrays
Abdullah A new GE/PSO antenna arrays synthesis technique and its application to DOA estimation
Miao et al. Synthesis of Sparse Planar Antenna Arrays Using A Matrix Constraints Method

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant