CN116011190A - 有源太赫兹相控阵的设计方法、装置及电子设备 - Google Patents

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CN116011190A CN202211599627.4A CN202211599627A CN116011190A CN 116011190 A CN116011190 A CN 116011190A CN 202211599627 A CN202211599627 A CN 202211599627A CN 116011190 A CN116011190 A CN 116011190A
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赵涤燹
游小龙
童好娉
尤肖虎
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Network Communication and Security Zijinshan Laboratory
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Abstract

本发明提供一种有源太赫兹相控阵的设计方法、装置及电子设备，其中，该方法包括：获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数；所述有源太赫兹相控阵中，子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同；根据所述初始设计参数，以设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值为优化目标，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定所述有源太赫兹相控阵的优化设计参数。使得设计出的有源太赫兹相控阵在波束二维动态扫描时，在不涉及阵列单元结构优化、不改变子阵分布和馈电幅度的前提下，在设定的波束指向范围内不同扫描角度下波束的旁瓣电平都能被有效地抑制。

Description

有源太赫兹相控阵的设计方法、装置及电子设备
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，尤其涉及一种有源太赫兹相控阵的设计方法、装置及电子设备。
背景技术
近年来，太赫兹技术的研究进入了蓬勃的发展时期。其中，太赫兹相控阵可应用于高速率无线通信、医学检测、安检成像等技术领域。目前的太赫兹相控阵由于现有加工工艺水平的限制，其相邻子阵边缘之间的间隔通常大于其工作波长的一半，产生的太赫兹波束存在多个高电平旁瓣，进而降低了主波束能量并限制了波束的扫描角度范围。
现有研究中降低相控阵旁瓣电平的方法包括优化子阵的位置打破子阵排列的周期性，可以有效地抑制固定角度波束指向的旁瓣电平。然而，该技术不适用于有源相控阵实现波束二维动态扫描时不同扫描角度下的旁瓣电平抑制。因此，如何使有源太赫兹相控阵在不同扫描角度下都能较好地抑制旁瓣电平成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种有源太赫兹相控阵的设计方法、装置及电子设备。
第一方面，本发明提供一种有源太赫兹相控阵的设计方法，包括：
获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数；所述有源太赫兹相控阵中，子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同；
根据所述初始设计参数，以设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值为优化目标，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定所述有源太赫兹相控阵的优化设计参数。
可选地，任一目标波束指向所对应的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平，是基于所述目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图确定的；
所述目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图是基于阵列单元E面和H面辐射方向图和所述目标波束指向对应的阵因子确定的；
所述目标波束指向对应的阵因子是基于各阵列单元的归一化馈电幅度、所述目标波束指向对应的各阵列单元的馈电相位、以及各阵列单元的坐标位置确定的。
可选地，所述目标波束指向对应的阵因子的计算公式包括：
Figure BDA0003994726920000021
式中，
Figure BDA0003994726920000022
表示所述目标波束指向对应的，俯仰角为θ、方位角为
Figure BDA0003994726920000023
时的阵因子值；Amn表示第m行第n列的阵列单元对应所述目标波束指向的馈电系数；exp()表示以自然常数e为底的指数函数；j为虚数单位；k0为自由空间波数；xmn和ymn分别是以所述有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点建立直角坐标系时，所述第m行第n列的阵列单元的x轴坐标和y轴坐标；M和N分别表示所述有源太赫兹相控阵中阵列单元的总行数和总列数，M、N为大于或等于1的正整数。
可选地，所述Amn是基于所述第m行第n列的阵列单元的归一化馈电幅度和所述第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位确定的；
其中，所述第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位通过以下公式确定：
Figure BDA0003994726920000031
式中，
Figure BDA0003994726920000032
表示第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位；θd为所述目标波束指向的俯仰角，
Figure BDA0003994726920000033
为所述目标波束指向的方位角。
可选地，所述有源太赫兹相控阵中的多个馈电区域是以所述有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点，将所述有源太赫兹相控阵划分为多个共原点且边长不等的方环区域得到的。
可选地，所述子阵间距的候选集合包括{aλ/16}；
其中，a的取值范围为8至64的正整数；λ表示所述有源太赫兹相控阵的工作频率对应的自由空间波长。
可选地，所述归一化馈电幅度的候选集合包括{0.05b}；
其中，b的取值范围为0至20的整数。
第二方面，本发明还提供一种有源太赫兹相控阵的设计装置，包括：
获取参数模块，用于获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数；所述有源太赫兹相控阵中，子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同；
确定参数模块，用于根据所述初始设计参数，以设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值为优化目标，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定所述有源太赫兹相控阵的优化设计参数。
第三方面，本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述第一方面所述的有源太赫兹相控阵的设计方法。
第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述第一方面所述的有源太赫兹相控阵的设计方法。
本发明提供的有源太赫兹相控阵的设计方法、装置及电子设备，通过获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数，将该有源太赫兹相控阵设计为子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同，然后根据初始设计参数，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定出设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值的优化设计参数，使得设计出的有源太赫兹相控阵在波束二维动态扫描时，在不涉及阵列单元结构优化、不改变子阵分布和馈电幅度的前提下，在设定的波束指向范围内不同扫描角度下波束的旁瓣电平都能被有效地抑制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的有源太赫兹相控阵的设计方法的流程示意图；
图2是本发明提供的有源太赫兹相控阵的子阵间距划分的示意图；
图3是本发明提供的有源太赫兹相控阵的馈电区域划分的示意图；
图4是本发明提供的波束指向分别为
Figure BDA0003994726920000041
Figure BDA0003994726920000051
的E面和H面辐射方向图；
图5是本发明提供的波束指向分别为
Figure BDA0003994726920000052
Figure BDA0003994726920000053
的E面和H面辐射方向图；
图6是本发明提供的有源太赫兹相控阵的设计装置的结构示意图；
图7是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。
太赫兹波通常指频率为0.1–10THz范围内的电磁波，其之所以得到广泛的关注，得益于其具备频谱资源丰富、单光子能量低、穿透性强、相比微波具有更高的成像分辨率等优越性能。因此，太赫兹波能够应用于高传输速率无线通信与高分辨率安检成像等领域。
有源太赫兹相控阵通常将芯片与太赫兹相控阵天线相结合，每个天线子阵连接一块芯片，子阵中的每个阵列单元与芯片的一个管脚相连接，通过调整芯片为阵列单元提供的馈电相位实现波束二维动态扫描，从而实时将多个无线通信设备连接到高传输速率通信网络或扫描待检测品的不同区域。
图1为本发明提供的有源太赫兹相控阵的设计方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤100、获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数；有源太赫兹相控阵中，子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同。
步骤101、根据初始设计参数，以设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值为优化目标，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定有源太赫兹相控阵的优化设计参数。
具体地，有源太赫兹相控阵的初始设计参数表示在设计一个有源太赫兹相控阵时需要了解的初始参数，可以是已知或预先设定的，其可以包括：有源太赫兹相控阵的中心工作频率、有源太赫兹相控阵的子阵数量及分布情况(如行数量和列数量)、子阵中阵列单元的数量及分布情况(如行数量和列数量)、单个阵列单元的尺寸等。
设置有源太赫兹相控阵的子阵排列非均匀分布，即设置有源太赫兹相控阵的各子阵之间的间距不完全一致。
实现子阵排列非均匀分布的具体方式不做限定。例如，可以设置每一行的子阵间距都较前一行的子阵间距增加固定值；或者，可以划分子阵区域，依次设置每一个区域里的子阵间距，每一个区域里的子阵间距相同；或者，每个子阵间距都设定一个值等。
可选地，可以设置有源太赫兹相控阵具有四重旋转特性，即以该相控阵的中心为坐标原点，将该相控阵沿顺时针或逆时针分别旋转90°、180°、270°后的子阵分布均与旋转前保持一致。
图2为本发明提供的有源太赫兹相控阵的子阵间距划分的示意图，如图2所示，该相控阵包括25×25个子阵，可以产生24×24个子阵间距，设置该相控阵具有四重旋转特性后，以中心子阵为坐标原点建立坐标系，四个象限区域中的子阵间距是一致的。子阵间距可以分别表示为g1、g2、g3、…、g12。从而减小将子阵间距作为变量的计算量。
设置有源太赫兹相控阵至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同。即，可以将有源太赫兹相控阵划分为多个馈电区域，每个馈电区域内包含的子阵所接收的馈电幅度是相同的。属于不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度可以相同，也可以不同。但至少存在两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度是不同的。
将有源太赫兹相控阵划分为多个馈电区域的具体方式不做限定。例如，可以按照子阵行距划分，比如每5行子阵为一个馈电区域；或者，可以按照设定的馈电区域大小划分，比如包括25×25的子阵可以划分为25个5×5的馈电区域等。
可选地，有源太赫兹相控阵中的多个馈电区域是以有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点，将有源太赫兹相控阵划分为多个共原点且边长不等的方环区域得到的。
图3为本发明提供的有源太赫兹相控阵的馈电区域划分的示意图，如图3所示，以相控阵中心为坐标原点，将相控阵划分为多个(图3中为7个)边长不等的方环区域，各方环区域包含的子阵所接收的馈电幅度相同。随着方环边长的增加，将子阵所接收的归一化馈电幅度可以分别表示为V1、V2、…、V7。
归一化馈电幅度指的是实际情况中各子阵所接收的馈电幅度除以最大值所得到的大小在0至1之间的值，该最大值可以根据实际情况进行选择。
考虑实际情况，将有源太赫兹相控阵划分为多个共原点且边长不等的方环区域，可以减少优化算法的计算量同时降低设计难度。
将子阵间距和归一化馈电幅度作为联合优化变量，根据初始设计参数，可以确定出设定波束指向范围内在预先设定的不同扫描角度(即不同波束指向)下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值的优化设计参数。
其中，设定波束指向范围指的是所设计的有源太赫兹相控阵的波束二维动态扫描时波束指向的范围(例如俯仰角范围为0°至60°、方位角范围为0°至360°)，可以从设定波束指向范围中预先选择、设定多个不同扫描角度(例如方位角和俯仰角均为0°的扫描角度，以及方位角为0°、俯仰角为60°的扫描角度)，在预先设定的这多个不同扫描角度下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值的联合优化变量即为优化设计参数。
一种实施方式中，可以根据初始设计参数及其他约束条件，例如所要设计的有源太赫兹相控阵的天线子阵数量、波束指向的最大俯仰角θmax、加工可行性等约束条件，得到子阵间距的候选集合和归一化馈电幅度的候选集合，将子阵间距的候选集合和归一化馈电幅度的候选集合组合后可以确定出联合优化变量的可行解空间。
其中，加工可行性包括单个阵列单元的尺寸和各子阵间距的取值范围的加工可行性，表示单个阵列单元的尺寸和各子阵间距的取值范围需要符合实际中生产加工的情况。
可选地，子阵间距的候选集合可以包括{aλ/16}，其中，a的取值范围为8至64的正整数；λ表示有源太赫兹相控阵的工作频率对应的自由空间波长，可以通过公式λ＝c/f计算得到，式中，c表示光速，f为相控阵中心工作频率。比如，子阵间距的候选集合可以为G＝{8λ/16，9λ/16，10λ/16，…，64λ/16}，在f＝300GHz时，λ＝1mm，G＝{0.5mm，0.5625mm，0.625mm，…，4mm}。
可选地，归一化馈电幅度的候选集合可以包括{0.05b}，其中，b的取值范围为0至20的整数。比如，归一化馈电幅度的候选集合可以为V＝{0，0.05，0.10，0.15，…，1.00}。相应地，实际情况中各子阵所接收的馈电幅度的候选集合可以是{0，0.05k，0.10k，0.15k，…，k}，k的值可以根据实际情况确定。
根据实际情况对子阵间距的候选集合和归一化馈电幅度的候选集合进行限制，可以缩小可行解空间范围，减少得到优化设计参数所要花费的时间。
确定联合优化变量的可行解空间后，可以在联合优化变量的可行解空间中搜索符合条件的优化设计参数。即，设定的波束指向范围内，预先设定的不同方向波束的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值时，该联合优化变量符合条件，为优化设计参数。
可以利用全局优化算法在可行解空间中搜索符合条件的优化设计参数，全局优化算法可以是遗传算法或者蚁群算法等。
以遗传算法为例，将适应度函数设为主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差，在可行解空间中随机选择初始群体，计算初始群体中各个个体的适应度。经过选择、交叉、变异等迭代过程，直到计算出某个个体在设定的波束指向范围内，预先设定的不同扫描角度下波束的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值，则该个体为最优解，即为优化设计参数。
本发明提供的有源太赫兹相控阵的设计方法，通过获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数，将该有源太赫兹相控阵设计为子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同，然后根据初始设计参数，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定出设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值的优化设计参数，使得设计出的有源太赫兹相控阵在波束二维动态扫描时，在不涉及阵列单元结构优化、不改变子阵分布和馈电幅度的前提下，在设定的波束指向范围内不同扫描角度下波束的旁瓣电平都能被有效地抑制。
可选地，任一目标波束指向所对应的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平，是基于目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图确定的；
目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图是基于阵列单元E面和H面辐射方向图和目标波束指向对应的阵因子确定的；
目标波束指向对应的阵因子是基于各阵列单元的归一化馈电幅度、目标波束指向对应的各阵列单元的馈电相位、以及各阵列单元的坐标位置确定的。
具体地，任一目标波束指向所对应的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平，是基于目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图确定的；而目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图是基于阵列单元的E面和H面辐射方向图和目标波束指向对应的阵因子确定的。
其中，目标波束指向对应的相控阵E面或H面辐射方向图的表达式为：
Etotal＝Esingle×AF
式中，Etotal表示目标波束指向对应的相控阵E面或H面辐射方向图，即相控阵在目标波束指向时，E面或H面各个方向上的辐射强度值；Esingle表示单个阵列单元的E面或H面辐射方向图，即单个阵列单元E面或H面在各个方向上的辐射强度值，单个阵列单元的辐射方向图与其几何形状与构造有关，为固定值；AF表示目标波束指向对应的相控阵的阵因子，即相控阵在目标波束指向的时候，相控阵的阵因子，是基于各阵列单元的归一化馈电幅度、目标波束指向对应的各阵列单元的馈电相位、以及各阵列单元的坐标位置确定的。
通过阵列单元E面和H面辐射的方向图和目标波束指向对应的阵因子得到目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图，进而通过目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图来确定所对应的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平，可以判断联合优化变量是否满足优化目标条件，从而确定出有源太赫兹相控阵的优化设计参数。
可选地，目标波束指向对应的阵因子的计算公式包括：
Figure BDA0003994726920000101
式中，
Figure BDA0003994726920000102
表示目标波束指向对应的，俯仰角为θ、方位角为
Figure BDA0003994726920000103
时的阵因子值；Amn表示第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电系数；exp()表示以自然常数e为底的指数函数；j为虚数；k0为自由空间波数；xmn和ymn分别是以有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点建立直角坐标系时，第m行第n列个阵列单元的x轴坐标和y轴坐标；M和N分别表示有源太赫兹相控阵的阵列单元的总行数和总列数，M、N为大于或等于1的正整数。
可选地，Amn是基于第m行第n列的阵列单元的归一化馈电幅度和第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位确定的，例如，Amn可以通过以下公式计算：
Figure BDA0003994726920000111
式中，Vmn表示第m行第n列的阵列单元的归一化馈电幅度；exp()表示以自然常数e为底的指数函数；
Figure BDA0003994726920000112
表示第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位。
通过对目标波束指向对应的阵因子的计算，可以得到目标波束指向对应的方向图，进而可以通过目标波束指向对应的相控阵方向图来确定所对应的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平。
可选地，第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位通过以下公式确定：
Figure BDA0003994726920000113
式中，
Figure BDA0003994726920000114
表示第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位；k0为自由空间波数；xmn和ymn分别是以有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点建立直角坐标系时，第m行第n列的阵列单元的x轴坐标和y轴坐标；θd为目标波束指向的俯仰角，
Figure BDA0003994726920000115
为目标波束指向的方位角。
有源太赫兹相控阵通过实时调整各阵列单元的馈电相位就能够实现波束二维动态扫描，同时，通过对各阵列单元的馈电相位的计算，可以得到目标波束指向对应的阵因子。
下面通过一个具体应用场景中的实施例来进一步说明本发明提供的有源太赫兹相控阵的设计方法。
设计一种用于动态波束扫描的低旁瓣有源太赫兹相控阵，该相控阵中心工作频率为300GHz，所述相控阵由25×25个子阵组成，每个子阵与一块包含16个管脚的芯片相连接；所述每个子阵由4×4个阵列单元组成；所述子阵中阵列单元之间紧密排列无缝隙；所述每个阵列单元与芯片的一个管脚相连接，芯片通过管脚为各阵列单元提供馈电幅度和相位；所述阵列单元呈正方形，边长为λ/2＝0.5mm。有源相控阵通过实时调整各阵列单元的馈电相位能够实现波束二维动态扫描，例如波束指向为
Figure BDA0003994726920000121
时第mn个阵列单元所需相位为：
Figure BDA0003994726920000122
其中，(xmn，ymn)为如图2所示的以相控阵中心为坐标原点建立直角坐标系时第mn个阵列单元的坐标，k0为自由空间波数。
进一步地，所述25×25个子阵产生24×24个间隔，选取这些间隔为优化变量。各子阵发射的电磁波在自由空间远场区叠加，通过优化子阵间距使得所述相控阵呈非均匀稀疏分布，打破旁瓣形成条件从而降低旁瓣电平，并且降低加工复杂度。
进一步地，若24×24个间隔全部作为优化变量将导致庞大的计算量，进而降低优化效率。如图2所示，为了减小计算量，设置所述相控阵具备四重旋转特性，即以所述相控阵的中心为坐标原点，将所述相控阵沿顺时针或逆时针分别旋转90°、180°、270°后的子阵分布均与旋转前保持一致，因而所述相控阵的间隔优化变量可减少为12个，分别记为g1、g2、g3、…、g12。且考虑到加工可行性，各子阵间距在集合G＝{8λ/16，9λ/16，10λ/16，…，64λ/16}中选取，其中λ表示相控阵工作频率对应的自由空间波长，可通过公式λ＝c/f计算求得。式中，c表示光速，f＝300GHz为相控阵中心工作频率。
进一步地，如图3所示，以相控阵中心为坐标原点，将相控阵划分为7个边长不等的方环区域，设置芯片为各方环区域所包含的子阵提供相同的馈电幅度，随着方环边长的增加，子阵所接收的归一化馈电幅度分别标记为V1、V2、…、V7，其取值从馈电幅度集合V＝{0，0.05，0.10，0.15，…，1.00}中选取。因此，芯片向第mn个阵列单元提供的馈电系数可表示为
Figure BDA0003994726920000139
其中，Vmn表示第mn个阵列单元的归一化馈电幅度。子阵所接收的归一化馈电幅度作为联合优化变量，与所述12个子阵间距变量共同构成相控阵优化变量组合O＝{g1，g2，g3，…，g12，V1，V2，…，V7}。
进一步地，相控阵的阵因子可表示为：
Figure BDA0003994726920000131
进一步地，本实施例选取中心工作频率为f＝300GHz的微带贴片天线作为相控阵的阵列单元，其仿真的E面和H面辐射方向图分别记为Esingle,E和Esingle,H。因此，相控阵的E面或H面辐射方向图表达式为：
Etotal＝Esingle×AF
进一步地，在天线子阵数量、波束指向最大俯仰角θmax＝60°、加工可行性等约束条件下，利用遗传算法在可行解空间搜索满足适应度函数要求的最优变量组合，其中适应度函数为主瓣峰值电平与旁瓣峰值电平之差，经全局优化算法搜索求得的优化参数分别为：g1＝0.5625λ，g2＝2.9375λ，g3＝0.5λ，g4＝0.5λ，g5＝0.5λ，g6＝2.5λ，g7＝0.5λ，g8＝1.5λ，g9＝0.75λ，g10＝3.25λ，g11＝0.875λ，g12＝0.5λ，V1＝0.6，V2＝0.95，V3＝1，V4＝0.95，V5＝0.5，V6＝0.5，V7＝0.35。
图4为本发明提供的波束指向分别为
Figure BDA0003994726920000132
Figure BDA0003994726920000133
的E面和H面辐射方向图。如图4所示，该有源相控阵的波束指向分别为
Figure BDA0003994726920000134
及
Figure BDA0003994726920000135
时的E面和H面辐射方向图，主瓣峰值电平与旁瓣峰值电平之差在θd＝0°至60°范围内不低于12.5dB。
图5为本发明提供的波束指向分别为
Figure BDA0003994726920000136
Figure BDA0003994726920000137
的E面和H面辐射方向图。如图5所示，该有源相控阵的波束指向分别为
Figure BDA0003994726920000138
及
Figure BDA0003994726920000141
时的E面和H面辐射方向图，主瓣峰值电平与旁瓣峰值电平之差在θd＝0°至60°范围内不低于26.0dB。
下面对本发明提供的有源太赫兹相控阵的设计装置进行描述，下文描述的有源太赫兹相控阵的设计装置与上文描述的有源太赫兹相控阵的设计方法可相互对应参照。
图6为本发明提供的有源太赫兹相控阵的设计装置的结构示意图，如图6所示，该装置包括：
获取参数模块600，用于获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数；有源太赫兹相控阵中，子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同；
确定参数模块610，用于根据初始设计参数，以设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值为优化目标，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定有源太赫兹相控阵的优化设计参数。
可选地，任一目标波束指向所对应的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平，是基于目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图确定的；
目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图是基于阵列单元E面和H面辐射方向图和目标波束指向对应的阵因子确定的；
目标波束指向对应的阵因子是基于各阵列单元的归一化馈电幅度、目标波束指向对应的各阵列单元的馈电相位、以及各阵列单元的坐标位置确定的。
可选地，目标波束指向对应的阵因子的计算公式包括：
Figure BDA0003994726920000142
式中，
Figure BDA0003994726920000143
表示目标波束指向对应的，俯仰角为θ、方位角为
Figure BDA0003994726920000144
时的阵因子值；Amn表示第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电系数；exp()表示以自然常数e为底的指数函数；j为虚数单位；k0为自由空间波数；xmn和ymn分别是以有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点建立直角坐标系时，第m行第n列的阵列单元的x轴坐标和y轴坐标；M和N分别表示有源太赫兹相控阵中阵列单元的总行数和总列数，M、N为大于或等于1的正整数。
可选地，Amn是基于第m行第n列的阵列单元的归一化馈电幅度和第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位确定的；
其中，第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位通过以下公式确定：
Figure BDA0003994726920000151
式中，
Figure BDA0003994726920000152
表示第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位；θd为目标波束指向的俯仰角，
Figure BDA0003994726920000153
为目标波束指向的方位角。
可选地，有源太赫兹相控阵中的多个馈电区域是以有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点，将有源太赫兹相控阵划分为多个共原点且边长不等的方环区域得到的。
可选地，子阵间距的候选集合包括{aλ/16}；
其中，a的取值范围为8至64的正整数；λ表示有源太赫兹相控阵的工作频率对应的自由空间波长。
可选地，归一化馈电幅度的候选集合包括{0.05b}；
其中，b的取值范围为0至20的整数。
在此需要说明的是，本发明提供的上述装置，能够实现上述方法实施例所实现的所有方法步骤，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与方法实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。
图7为本发明提供的电子设备的结构示意图，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)710、通信接口(Communications Interface)720、存储器(memory)730和通信总线740，其中，处理器710，通信接口720，存储器730通过通信总线740完成相互间的通信。处理器710可以调用存储器730中的逻辑指令，以执行上述各实施例提供的任一所述有源太赫兹相控阵的设计方法。
此外，上述的存储器730中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现，其可以存储在一个计算机可读取存储介质中来作为独立的产品销售或使用。基于这样的理解，本发明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计算机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，该存储介质包括若干指令，可以用来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)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。前述的存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在此需要说明的是，本发明提供的电子设备，能够实现上述方法实施例所实现的所有方法步骤，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与方法实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的任一所述有源太赫兹相控阵的设计方法。
在此需要说明的是，本发明提供的非暂态计算机可读存储介质，能够实现上述方法实施例所实现的所有方法步骤，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与方法实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：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 (10)

1.一种有源太赫兹相控阵的设计方法，其特征在于，包括：
获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数；所述有源太赫兹相控阵中，子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同；
根据所述初始设计参数，以设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值为优化目标，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定所述有源太赫兹相控阵的优化设计参数。
2.根据权利要求1所述的有源太赫兹相控阵的设计方法，其特征在于，任一目标波束指向所对应的主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平，是基于所述目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图确定的；
所述目标波束指向对应的相控阵E面和H面辐射方向图是基于阵列单元E面和H面辐射方向图和所述目标波束指向对应的阵因子确定的；
所述目标波束指向对应的阵因子是基于各阵列单元的归一化馈电幅度、所述目标波束指向对应的各阵列单元的馈电相位、以及各阵列单元的坐标位置确定的。
3.根据权利要求2所述的有源太赫兹相控阵的设计方法，其特征在于，所述目标波束指向对应的阵因子的计算公式包括：
Figure FDA0003994726910000011
式中，
Figure FDA0003994726910000012
表示所述目标波束指向对应的，俯仰角为θ、方位角为
Figure FDA0003994726910000013
时的阵因子值；Amn表示第m行第n列的阵列单元对应所述目标波束指向的馈电系数；exp()表示以自然常数e为底的指数函数；j为虚数单位；k0为自由空间波数；xmn和ymn分别是以所述有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点建立直角坐标系时，所述第m行第n列的阵列单元的x轴坐标和y轴坐标；M和N分别表示所述有源太赫兹相控阵中阵列单元的总行数和总列数，M、N为大于或等于1的正整数。
4.根据权利要求3所述的有源太赫兹相控阵的设计方法，其特征在于，所述Amn是基于所述第m行第n列的阵列单元的归一化馈电幅度和所述第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位确定的；
其中，所述第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位通过以下公式确定：
Figure FDA0003994726910000021
式中，
Figure FDA0003994726910000022
表示第m行第n列的阵列单元对应目标波束指向的馈电相位；θd为所述目标波束指向的俯仰角，
Figure FDA0003994726910000023
为所述目标波束指向的方位角。
5.根据权利要求1至4任一项所述的有源太赫兹相控阵的设计方法，其特征在于，所述有源太赫兹相控阵中的多个馈电区域是以所述有源太赫兹相控阵的中心为坐标原点，将所述有源太赫兹相控阵划分为多个共原点且边长不等的方环区域得到的。
6.根据权利要求1至4任一项所述的有源太赫兹相控阵的设计方法，其特征在于，所述子阵间距的候选集合包括{aλ/16}；
其中，a的取值范围为8至64的正整数；λ表示所述有源太赫兹相控阵的工作频率对应的自由空间波长。
7.根据权利要求1至4任一项所述的有源太赫兹相控阵的设计方法，其特征在于，所述归一化馈电幅度的候选集合包括{0.05b}；
其中，b的取值范围为0至20的整数。
8.一种有源太赫兹相控阵的设计装置，其特征在于，包括：
获取参数模块，用于获取有源太赫兹相控阵的初始设计参数；所述有源太赫兹相控阵中，子阵排列非均匀分布，且至少两个分属不同馈电区域的子阵所接收的馈电幅度不同；
确定参数模块，用于根据所述初始设计参数，以设定波束指向范围内不同波束指向下主瓣峰值电平和旁瓣峰值电平之差均大于或等于预设阈值为优化目标，以子阵间距和归一化馈电幅度为联合优化变量，确定所述有源太赫兹相控阵的优化设计参数。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至7任一项所述有源太赫兹相控阵的设计方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述有源太赫兹相控阵的设计方法。
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