CN116315735B - 一种任意极化可编程共形阵列天线构建及综合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种任意极化可编程共形阵列天线构建及综合方法。传统阵列天线通常只能在单一极化下工作。要实现任意极化可调通常需要采用双通道双极化天线作为阵列单元，但该方法面临设备量大、成本高的问题。本发明采用多线极化可重构天线作为阵列单元，开发单元方向图高效近似方法、阵元极化状态选择策略和相位配置策略、任意线\圆极化的共形阵列矢量波束形成方法等，可在一个天线单元对应一个通道的前提下，实现共形阵列天线的任意线\圆极化波束可调。本发明的任意极化可编程共形阵列天线技术对无线系统降低极化失配损耗、抑制信号多径衰落效应、辐射或接收任意极化电磁波等方面具有显著作用。
Description
技术领域
本发明涉及雷达、通信及电子对抗领域中任意极化共形阵列天线技术。
背景技术
极化域作为天线研究的一个重要维度，一直是天线研究的热点问题。但在阵列级实现低成本的任意线极化和左\右旋圆极化可编程的低交叉极化波束仍尚未解决。实现这一功能对提高5G通信系统、室内定位系统、相控阵雷达系统等的性能具有重大实际意义。
现有技术在阵列天线上实现任意极化可调的方法通常是采用双通道双极化的单元天线，再配合两套独立可控的幅相通道实现阵列天线的任意极化可调(参考文献1)。然而这种方法会导致阵列的设备量倍增，进而使得成本增加，一定程度上限制了其应用。
现有技术已经有不少关于极化可重构单元天线的研究，但是涉及极化可重构天线阵列的研究还不多(参考文献2，3)。这些文献通常都只是将少数极化可重构天线组合成阵列，并没有将单元的极化视作进行矢量波束合成的维度。比如文献3设计了一款基于馈电网络可重构的±45°线极化可重构天线，并将其组合成为1×4的阵列。但是其阵列只能够实现与组阵单元天线的极化状态，而非任意的极化状态。
现有技术已经有线极化可调的直线阵列研究(参考文献4)，该阵列采用可实现8个离散的线极化状态的可重构天线组阵，在等幅同相馈电的前提下，通过阵列综合算法，实现线极化可调的方向图。但该方法仍存在以下问题：其极化选择方法为随机优化，优化结果具有较大的随机性且收敛速度较慢；其方法未考虑相位加权，因此只适用于线极化实现，并不能拓展到圆极化可调；其方法未涉及共形阵列方面的研究，无法解决共形阵列上单元朝向不一致造成的各单元方向图差异较大的问题。
综上所述，现有技术无法在单个天线对应单个通道，即低成本情况下，在共形阵列实现任意线\圆极化可编程的任意波束可调，并实现低副瓣及低交叉极化问题。
参考文献：
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发明内容
本发明提出了一种任意极化可编程共形阵列天线构建及综合方法，采用多线极化可重构天线作为阵列单元，研究多线极化可重构天线共形阵列上的单元在不同位置、不同朝向、不同极化状态下有源单元方向图的高效近似方法、极化状态选择和相位配置策略、任意线\圆极化的共形阵列矢量波束形成方法，在共形阵列上实现任意极化的可编程波束。提出的一种任意极化可编程共形阵列天线构建及综合方法技术框架图如图1所示，包括算法及硬件加工部分。提出的任意极化可编程共形阵列天线技术可在不增加射频通道数量的情况下在共形阵列上实现任意线极化及圆极化切换，有效解决共形阵列上单元朝向不一致造成的高交叉极化电平问题，具有广泛应用前景。
该极化可编程天线阵列在和/>分量的矢量方向图为：
其中，和/>分别为第n阵元在pn极化状态时，全局坐标下的和/>分量的方向图，β为波数，/>为阵元在全局坐标系下的位置矢量。要采用式1来计算该阵列方向图，我们首先要获得单元天线在各个极化状态下的方向图。然而，由于阵元间互耦的影响，单元方向图不仅受自身极化状态pn的影响，还受其周围阵元的极化状态影响。因此，本任意极化可编程共形阵列天线技术还研究了单元在不同位置、不同朝向、不同极化状态下有源单元方向图的高效近似提取方法、极化状态选择策略、任意线\圆极化的共形阵列矢量波束形成方法。具体如下：
1)单元在不同位置、不同朝向、不同极化状态下有源单元方向图的高效近似方法：
首先，对于一个具有旋转对称结构的多线极化可重构天线来说，其极化状态的切换意味着天线表面的辐射电流绕其几何中心旋转一定角度。假设该阵元周围的其他单元天线的极化状态切换对其方向图的影响是不变的，则该阵元的方向图就主要受其极化状态切换的影响。那么，我们就可以通过旋转该阵元在某个极化状态下的单元方向图，来获得该单元在其他极化状态下的近似方向图。公式表达如下：
其中，为我们通过全波仿真或实测等手段获得的第n阵元在/>极化状态下的矢量方向图；/>和/>分别为第n阵元在/>和/>极化状态下的极化指向角。我们可以通过式3获得第n阵元在/>极化状态下的矢量方向图。
2)极化状态选择和相位配置策略：
①在共形阵列中，获得的单元方向图的坐标系是在单元各自的局域坐标系下的。要进行阵列方向图的合成，需要将它们转换到全局坐标系下。考虑任意给定的一个单元在全局坐标系中的位置为(xn,yn,zn),指向的俯仰角为θn,方位角为φn，那么，坐标变换的过程可被视作绕旋转θn实现单元指向的俯仰角改变，绕/>旋转φn实现单元指向方位角的改变。可以给出如下由全局坐标变换到单元局域坐标的矩阵(不包含位置平移)：
若全局坐标系下观测角为θ和φ(分别为俯仰角和方位角)，观测角对应位置的单位向量为则/>在全局坐标系下为(ux,uy,uz),其中ux＝sin(θ)cos(φ),uy＝sin(θ)sin(φ)，uz＝cos(θ)。相应地，/>在第n阵元的局部坐标系下为(uxn,uyn,uzn),其中uxn＝sin(θn)cos(φn),uyn＝sin(θn)sin(φn)，un＝cos(θn),θn和φn为该观测角在局部坐标系下的俯仰角和方位角。显然，我们有：
(uxn,uyn,uzn)T＝PG2L(ux,uy,uz)T (5)
则依次可以求得uxn,uyn,uzn。继而我们可以求得：
θn＝arccos(uzn),θn∈[0,π]
全局坐标系下，处的球坐标系单位向量：
相应地，第n阵元的局部坐标系下，处的球坐标系单位向量：
我们考虑方向上远场处的场强/>则其在全局坐标系下的表示为：
相应地，其在局部坐标系下的表示为：
②对于给定的期望线极化方向，选择使得阵元极化指向矢量在期望的线极化方向上的投影最大的极化状态作为该阵元的工作状态，可使它对阵列主极化增益的贡献最大。期望的线极化方向通常是用户定义的一个固定的方向，这里我们用来表示。根据期望极化矢量，天线在远区空间中可实现的主极化和交叉极化矢量可用如下公式表示：
其中，为主极化矢量，/>为交叉极化矢量，/>为传播方向。那么，对于阵列中第n单元，假定其处于第m极化状态时，其远区主极化指向矢量为/>这样，我们就可以得到在阵列波束指向方向/>上，该单元主极化矢量在期望极化对应的主极化方向上的投影大小。在进行极化选择时，当波束指向为(θ0,φ0)时，使该投影值最大，选择的极化表示为：
其中，为阵列中第n单元，假定其处于第m极化状态时的远区主极化指向矢量；mmax为求出来的使投影值最大的极化状态序号。
③当期望极化为圆极化时，我们先随机选择单元极化状态，再基于选择的单元极化状态指向对每个单元进行相位配置。对于第n阵元的合成圆极化的额外相位配置，此相位记作在阵列合成圆极化波时，阵元激励相位为聚焦波束相位和合成圆极化额外相位的相加，当波束指向为(θ0,φ0)时，第n阵元配置的相位αn为：
其中，λ为波长，/>为阵元位置矢量，/>为波束指向矢量。
3)任意线\圆极化的共形阵列矢量波束形成方法
①通过坐标变换得到第n阵元在pn极化状态时在全局坐标下的和/>分量的方向图/>和/>最后，在统一的坐标系下将阵元矢量方向图叠加起来即可得到共形阵列的矢量方向图。我们可以用式1求得/>和/>
其中，β为波数，为阵元在全局坐标系下的位置矢量/>为波束指向矢量；
求得任意极化的波束表达式。其中期望极化为线极化时的表达式为：
其中，为主极化矢量，/>为交叉极化矢量；
期望极化为圆极化的情况：
其中，为圆极化附加相位；
附图说明
图1是一种任意极化可编程共形阵列天线构建及综合方法的技术框架图。
图2是构建的多线极化可重构共形阵列天线模型。
图3是阵元分别处于极化状态2/3/4时，采用近似方法预测的方向图与仿真的方向图的对比。图4是实际的极化方向与期望的极化方向对比，横坐标为期望极化角度，纵坐标为实际极化
角度。
图5是期望极化角度与实际极化角度的对比。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图2-图5，对本发明进一步详细说明。
步骤1.选择多线极化可重构单元天线并构建共形阵列以及确定其他相关参数。这里我们选择单元天线是一款7线极化可重构单元天线，并将其布置在共形面上，如图2所示。
步骤2.全波仿真阵列，并提取单元天线矢量方向图。利用提出的不同极化状态下有源单元方向图的高效近似提取方法，获取单元在不同极化状态下的方向图。为了说明该方法的有效性与精度，我们通过全波仿真获取了单元在第一极化状态下的方向图，并用其预测阵元在其他极化状态下方向图。然后我们将单元在其他极化状态下全波仿真的结果与通过近似方法预测的结果进行对比。如图3所示。
步骤3.根据用户期望的极化，采用提出的极化状态选择策略和任意线\圆极化的共形阵列矢量波束形成方法，选择合适的单元极化状态，然后合成阵列主极化和交叉极化方向图。实际的极化方向与期望的极化方向对比如图4所示，横坐标为期望极化角度，纵坐标为实际极化角度。期望极化角度与实际极化角度的对比如图5所示。
步骤4.加工阵列天线并设计直流偏置网络，再配合现场可编程门阵列FPGA或单片机控制芯片，用以实时电控阵元的极化状态。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种任意极化可编程共形阵列天线构建及综合方法，其特征在于包含以下步骤：
S1：建立布阵模型：设计并仿真多线极化可重构单元天线并构建共形阵列以及确定其他相关参数，包括天线单元离散的可重构极化数目、阵列构型、阵元数目、阵列布局；
S2：全波仿真阵列，并提取单元天线矢量方向图；利用提出的共形阵列不同位置、不同朝向、不同极化状态下有源单元方向图的高效近似方法，获取单元在上述不同状态下的近似矢量方向图；所述步骤S2中单元在不同位置、不同朝向极化状态下有源单元方向图的高效近似提取方法由两个步骤组成：S2.1通过全波仿真提取阵列中一个阵元在其局域坐标系下的某一个极化状态下的矢量单元方向图，然后通过旋转该阵元在某个极化状态下的单元方向图，来获得该单元在其他极化状态下的近似方向图；公式表达如下：
其中，为通过全波仿真或实测手段获得的第i阵元在其局域坐标系下的极化状态下的矢量方向图；/>和/>分别为第i阵元在局域坐标系下的/>和/>极化状态下的极化指向角；
S2.2获得了一个单元在其局部坐标系下的各个极化状态的矢量方向图后，需要通过坐标变换获得阵列中所有阵元在全局坐标系下的各个极化状态下的矢量方向图，由全局坐标变换到单元局域坐标的不包含位置平移的矩阵：
其中第n单元在局域坐标中指向的俯仰角为θn,方位角为φn；
由单元局域坐标变换到全局局域坐标的矩阵为：
若全局坐标系下观测角为俯仰角θ和方位角φ，观测角对应位置的单位向量为则/>在全局坐标系下为(ux,uy,uz),其中ux＝sin(θ)cos(φ),uy＝sin(θ)sin(φ)，uz＝cos(θ)；相应地，/>在第n阵元的局部坐标系下为(uxn,uyn,uzn),其中uxn＝sin(θn)cos(φn),uyn＝sin(θn)sin(φn)，un＝cos(θn),θn和φn为该观测角在局部坐标系下的俯仰角和方位角，显然：
(uxn,uyn,uzn)T＝PG2L(ux,uy,uz)T (4)
则依次可以求得uxn,uyn,uzn，继而可以求得：
θn＝arccos(uzn),θn∈[0,π]
φn∈[0,2π] (5)
对于n阵元，将获得在(θi,φi)坐标点的的插值到(θn,Φn)坐标点上，则第n阵元在全局坐标系中的/>坐标点的方向图为：
S3：根据用户期望的极化，采用提出的阵元极化状态选择策略和任意线\圆极化的共形阵列矢量波束形成方法，根据波束指向，计算需要的单元极化状态、激励相位，然后合成阵列主极化和交叉极化方向图；所述步骤S3中极化状态选择策略中期望极化为线极化时，具体步骤为：
S3.11对于给定的期望线极化方向，即用户定义的一个固定的方向，用来表示；
S3.12天线在远区空间中可实现的主极化和交叉极化矢量可表示：
其中，为主极化矢量，/>为交叉极化矢量，/>为传播方向；
S3.13在进行极化选择时，当波束指向为(θ0,φ0)时，使投影值最大，选择的极化表示为：
其中，为阵列中第n单元，假定其处于第m极化状态时的远区主极化指向矢量；mmax为求出来的使投影值最大的极化状态序号；
所述步骤S3中极化状态选择策略为当期望极化为圆极化时，具体步骤为：
S3.21随机选择各阵元极化状态；
S3.22基于选择的单元极化状态指向对每个单元进行额外的相位配置；当波束指向为(θ0,φ0)时，需要对于第n阵元进行额外相位配置，此相位记作在阵列合成圆极化波时，阵元激励相位为聚焦波束相位和合成圆极化额外相位的相加，当波束指向为(θ0,φ0)时，第n阵元配置的相位αn为：
其中，λ为波长，/>为阵元位置矢量，/>为波束指向矢量；
所述步骤S3中极化状态选择策略为当期望极化为圆极化时，具体步骤为：
S3.31当波束指向为时，阵列在/>和/>分量的矢量方向图为：
其中，和/>分别为第n阵元在/>极化状态时在全局坐标下的和/>分量的方向图，β为波数，/>为阵元在全局坐标系下的位置矢量/>为波束指向矢量；
S3.32求得任意极化的波束表达式，其中期望极化为线极化时的表达式为：
其中，为主极化矢量，/>为交叉极化矢量；
期望极化为圆极化的情况：
其中，为圆极化附加相位；
S4：加工阵列天线并设计直流偏置网络，再配合现场可编程门阵列FPGA或单片机控制芯片，用以实时电控阵元的极化状态。
2.根据权利要求1所述的一种任意极化可编程共形阵列天线构建及综合方法，其特征在于：所述步骤S1中布阵所用的单元天线为多线极化可重构天线，且具有5个及以上可选择的离散的线极化数目。
3.根据权利要求1所述的一种任意极化可编程共形阵列天线构建及综合方法，其特征在于：所述步骤S4中的阵列直流控制网络由FPGA或单片机编程实现，能实现共计MN种极化状态控制，其中M为每个阵元离散的极化数目，N为阵元数目。
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| Title |
|---|
| "Beam Pattern Synthesis for Conformal Array with Sidelobe and Polarization Control: A Penalized Inequality Approach";Tianyu Cao et al.;《2020 IEEE 11th Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop (SAM)》;全文 * |
| "基于阵元旋转的线阵、面阵及柱面共形阵列平顶赋形方向图综合";李明 等;《 2021年全国天线年会论文集》;全文 * |
| "多线极化可重构单元天线及阵列综合技术研究";曾卓;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116315735A (zh) | 2023-06-23 |
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Legal Events
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