WO2019214258A1 - 一种测量阵列天线的波束合成方法和装置 - Google Patents

一种测量阵列天线的波束合成方法和装置 Download PDF

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刘若鹏
赵治亚
田华
何洋
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深圳光启高等理工研究院
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    • H04B17/12—Monitoring; Testing of transmitters for calibration of transmit antennas, e.g. of the amplitude or phase

Definitions

  • the present invention relates to the field of antennas, and in particular to a beamforming method and apparatus for measuring array antennas.
  • ⁇ ' i is the phase error value of the antenna element i
  • ⁇ i is the phase of the antenna element i
  • r i is the first distance value of the antenna element i
  • ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave emitted by the array antenna, where i is greater than 1 is a natural number less than n, and n is the number of antennas.
  • the synthesizing unit includes: a first acquiring submodule, configured to acquire a deflection angle of a radio frequency signal of each antenna unit, and a deflection angle of each antenna unit is the same; and a second calculating unit, configured to The antenna beam is calculated by the phase, amplitude, second distance value and phase error value of each antenna element, wherein the calculation formula is:
  • a total is the antenna beam
  • a i is the amplitude of the antenna element i
  • e is the natural constant
  • d is the second distance value
  • k is the electromagnetic wave propagation vector
  • ⁇ is the deflection angle
  • a beamforming method for measuring an array antenna is provided.
  • the invention discloses a beamforming method for measuring an array antenna, and the beamforming method comprises:
  • ⁇ ' i is the phase error value of the antenna element i
  • ⁇ i is the phase of the antenna element i
  • r i is the first distance value of the antenna element i
  • ⁇ is the wavelength of the electromagnetic wave emitted by the array antenna, where i is greater than 1 is a natural number smaller than n, and n is the number of antennas, thereby measuring the phase pattern of the antenna and compensating for the phase pattern of the antenna.
  • FIG. 3 a pattern of four antenna elements is shown, with continued reference to FIG. 4, which shows a pattern of antenna unit and radome combinations, with continued reference to FIG. 5, which shows The direction of the four-way composite beam, the maximum level of the composite beam is raised, the main lobe is shifted by about 10°, and multi-stage side lobes appear, so that the beamforming algorithm is verified.
  • the second distance values between any two antenna elements are equal.
  • the distance between the two antenna units can be set according to actual needs by a person skilled in the art, which is not limited by the present invention.
  • the synthesizing unit 63 includes: a first acquisition sub-module (not shown) for acquiring a deflection angle of a radio frequency signal of each antenna unit, and a deflection angle of each antenna unit is the same; a calculation unit (not shown) for calculating an antenna beam according to a phase, an amplitude, a second distance value, and a phase error value of each antenna unit, wherein the calculation formula is:

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Abstract

一种测量阵列天线的波束合成方法，该方法包括：获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，其中，相关距离值包括第一距离值和第二距离值，第一距离值为每个天线单元与转台中心的距离信息，第二距离值为每个天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息（S101）；计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值（S103）；以及根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束（S105）。该方法通过对单天线测试的远场数据进行波束合成，可实现带发射机的方向图等效测试。

Description

一种测量阵列天线的波束合成方法和装置 技术领域
本发明涉及天线领域，具体来说，涉及一种测量阵列天线的波束合成方法和装置。
背景技术
在现在技术中，对于阵列天线或阵列天线和天线罩的组合进行电性能测试，通常为模拟实际工作状态，会带发射机进行测试，但对于不具备带发射机测试的条件下，阵列天线及天线罩的性能无法获知。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种测量阵列天线的波束合成方法和装置，其能够通过对单天线测试的远场数据进行波束合成，可实现带发射机的方向图等效测试，以解决无发射机及波束调控系统下，远场方向图测试问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
根据本发明的一个方面，提供了一种测量阵列天线的波束合成方法。
该测量阵列天线的波束合成方法包括：获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，其中，相关距离值包括第一距离值和第二距离值，第一距离值为每个天线单元与转台中心的距离信息，第二距离值为每个天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息；计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值；以及根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束。
根据本发明的一个实施例，计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值包括：计算每个天线单元的相位方向图；将每个天线单元的相位、和第一距离值代入相位补偿公式，以得到每个天线单元的相位误差值，从而对每个天线单元的相位方向图进行补偿，其中，相位补偿公式为：
Figure PCTCN2018124557-appb-000001
其中，φ' i为天线单元i的相位误差值，φ i为天线单元i的相位，r i为天线单元i的第一距离值，λ为阵列天线发出的电磁波的波长，其中，i为大于1小于n的自然数，且n为天线的数量。
根据本发明的一个实施例，根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束包括：获取每个天线单元的射频信号的偏转角，且每个天线单元的偏转角相同；根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，计算得到天线波束，其中，计算公式为：
Figure PCTCN2018124557-appb-000002
其中，A total为天线波束，A i为天线单元i的幅度，e表示自然常数，d为第二距离值，k为电磁波传播矢量，θ为偏转角。
根据本发明的一个实施例，波束合成方法还包括：获取多个天线单元的远场方向图；根据天线波束，生成天线波束的远场方向图，并比较多个天线单元的远场方向图和天线波束的远场方向图中的天线信号的走势；若一致，则确定计算得到的天线波束正确。
根据本发明的一个实施例，在天线阵列中，任意两个天线单元之间的第二距离值相等。
根据本发明的另一方面，提供了一种测量阵列天线的波束合成装置。
该测量阵列天线的波束合成装置包括：获取模块，用于获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，其中，相关距离值包括第一距离值和第二距离值，第一距离值为每个天线单元与转台中心的距离信息，第二距 离值为每个天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息；计算补偿单元，用于计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值；以及合成单元，用于根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束。
根据本发明的一个实施例，计算补偿单元包括：第一计算单元，用于计算每个天线单元的相位方向图；补偿单元，用于将每个天线单元的相位、和第一距离值代入相位补偿公式，以得到每个天线单元的相位误差值，从而对每个天线单元的相位方向图进行补偿，其中，相位补偿公式为：
Figure PCTCN2018124557-appb-000003
其中，φ' i为天线单元i的相位误差值，φ i为天线单元i的相位，r i为天线单元i的第一距离值，λ为阵列天线发出的电磁波的波长，其中，i为大于1小于n的自然数，且n为天线的数量。
根据本发明的一个实施例，合成单元包括：第一获取子模块，用于获取每个天线单元的射频信号的偏转角，且每个天线单元的偏转角相同；第二计算单元，用于根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，计算得到天线波束，其中，计算公式为：
Figure PCTCN2018124557-appb-000004
其中，A total为天线波束，A i为天线单元i的幅度，e表示自然常数，d为第二距离值，k为电磁波传播矢量，θ为偏转角。
根据本发明的一个实施例，波束合成装置还包括：第二获取子模块，用于获取多个天线单元的远场方向图；比较单元，用于根据天线波束，生成天线波束的远场方向图，并比较多个天线单元的远场方向图和天线波束的远场方向图中的天线信号的走势；确定单元，用于若一致，则确定计算得到的天线波束正确。
根据本发明的一个实施例，在天线阵列中，任意两个天线单元之间的第二距离值相等。
本发明的有益效果在于：
本发明通过获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，随后计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值，最后根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束，从而通过对单天线测试的远场数据进行波束合成，可实现带发射机的方向图等效测试。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是根据本发明实施例的测量阵列天线的波束合成方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的阵列各单元间的几何关系示意图；
图3是根据本发明实施例的天线方向图；
图4是根据本发明实施例的天线和天线罩的组合的天线方向图；
图5是根据本发明实施例的合成波束的天线方向图；
图6是根据本发明实施例的测量阵列天线的波束合成装置的框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种测量阵列天线的波束合成方法。
如图1所示，根据本发明实施例的测量阵列天线的波束合成方法包括：步骤S101，获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，其中，相关 距离值包括第一距离值和第二距离值，第一距离值为每个天线单元与转台中心的距离信息，第二距离值为每个天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息；步骤S103，计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值；步骤S105，根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束。
借助于本发明的上述技术方案，通过获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，随后计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值，最后根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束，从而通过对单天线测试的远场数据进行波束合成，可实现带发射机的方向图等效测试。
为了便于理解本发明的技术方案，下面通过具体的实施例进行详细的描述。
本发明公开了一种测量阵列天线的波束合成方法，该波束合成方法包括：
步骤S1，获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，其中，相关距离值包括第一距离值和第二距离值，第一距离值为每个天线单元与转台中心的距离信息，第二距离值为每个天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息。
在该步骤S1中，如图2所示，O1、O2...Oi表示阵列天线中的多个按照布局设置天线单元上述多个天线单元按照直线的布局进行布置，当然可以理解，上述多个天线单元还可按照需求进行设置，例如，根据本发明的一个实施例，将上述多个天线单元设置成圆形，本发明对此不做限定。此外，上述多个天线单元的偏转方向一致，其偏转角均为θ(theta)，同时，还获取上述多个天线单元的幅度、相位和相关距离值，其中，相关距离值包括第一距离值和第二距离值，第一距离值为每个天线单元与转台中心的 距离信息，第二距离值为每个天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息。
步骤S2，计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值。
在该步骤S2中，该步骤S2包括：计算每个天线单元的相位方向图；将每个天线单元的相位、和第一距离值代入相位补偿公式，以得到每个天线单元的相位误差值，从而对每个天线单元的相位方向图进行补偿，其中，相位补偿公式为：
Figure PCTCN2018124557-appb-000005
其中，φ' i为天线单元i的相位误差值，φ i为天线单元i的相位，r i为天线单元i的第一距离值，λ为阵列天线发出的电磁波的波长，其中，i为大于1小于n的自然数，且n为天线的数量，从而通过测量天线的相位方向图，并对天线的相位方向图进行补偿。
步骤S3，根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束。
在该步骤S3中，该步骤S3包括：获取每个天线单元的射频信号的偏转角，且每个天线单元的偏转角相同；根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，计算得到天线波束，其中，计算公式为：
Figure PCTCN2018124557-appb-000006
其中，A total为天线波束，A i为天线单元i的幅度，e表示自然常数，d为第二距离值，k为电磁波传播矢量，θ为偏转角，从而对多路信号进行合成，以获取合成的相位方向图，并通过上述计算公式进行计算。
此外，在阵列天线中的多个天线单元一致的情况下，对其中的一个天线单元(或单天线)的相位方向图进行补偿即可，无需对每个天线单元进行操作，从而极大的节省了时间，其中，多个天线单元一致是指多个天线单元的规格和尺寸等一致。
根据本发明的一个实施例，波束合成方法还包括：获取多个天线单元的远场方向图；根据天线波束，生成天线波束的远场方向图，并比较多个 天线单元的远场方向图和天线波束的远场方向图中的天线信号的走势；若一致，则确定计算得到的天线波束正确。
在该实施例中，继续参照图3，示出了4个天线单元的方向图，继续参照图4，其示出了天线单元和天线罩组合的方向图，继续参照图5，其示出了四路合成波束的方向图，该合成波束的最大电平抬高，主瓣偏移10°左右，且出现多级副瓣，从而波束合成算法得到验证。
根据本发明的一个实施例，在天线阵列中，任意两个天线单元之间的第二距离值相等。此外，当然可以理解，本领域的技术人员还可根据实际需求设置两个天线单元之间的距离，本发明对此不做限定。
此外，该测量阵列天线的波束合成方法还可用于航空航天、民用等领域，可等效获知阵列天线合成方向图及合成波束下的天线罩电性能情况。
根据本发明的实施例，还提供了一种测量阵列天线的波束合成装置。
如图6所示，根据本发明实施例的测量阵列天线的波束合成装置包括：获取模块61，用于获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，其中，相关距离值包括第一距离值和第二距离值，第一距离值为每个天线单元与转台中心的距离信息，第二距离值为每个天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息；计算补偿单元62，用于计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值；以及合成单元63，用于根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束。
根据本发明的一个实施例，计算补偿单元62包括：第一计算单元(未示出)，用于计算每个天线单元的相位方向图；补偿单元(未示出)，用于将每个天线单元的相位、和第一距离值代入相位补偿公式，以得到每个天线单元的相位误差值，从而对每个天线单元的相位方向图进行补偿，其中，相位补偿公式为：
Figure PCTCN2018124557-appb-000007
其中，φ' i为天线单元i的相位误差值，φ i为天线单元i的相位，r i为天线单元i的第一距离值，λ为阵列天线发出的电磁波的波长，其中，i为大 于1小于n的自然数，且n为天线的数量。
根据本发明的一个实施例，合成单元63包括：第一获取子模块(未示出)，用于获取每个天线单元的射频信号的偏转角，且每个天线单元的偏转角相同；第二计算单元(未示出)，用于根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，计算得到天线波束，其中，计算公式为：
Figure PCTCN2018124557-appb-000008
其中，A total为天线波束，A i为天线单元i的幅度，e表示自然常数，d为第二距离值，k为电磁波传播矢量，θ为偏转角。
根据本发明的一个实施例，波束合成装置还包括：第二获取子模块(未示出)，用于获取多个天线单元的远场方向图；比较单元(未示出)，用于根据天线波束，生成天线波束的远场方向图，并比较多个天线单元的远场方向图和天线波束的远场方向图中的天线信号的走势；确定单元(未示出)，用于若一致，则确定计算得到的天线波束正确。
根据本发明的一个实施例，在天线阵列中，任意两个天线单元之间的第二距离值相等。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，随后计算每个天线单元的相位方向图，并根据每个天线单元的相位、和第一距离值，对每个天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个天线单元的相位误差值，最后根据每个天线单元的相位、幅度、第二距离值和相位误差值，将多个天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束，从而通过对单天线测试的远场数据进行波束合成，可实现带发射机的方向图等效测试。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种测量阵列天线的波束合成方法，所述阵列天线包括多个天线单元，其特征在于，包括：
    获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，其中，所述相关距离值包括第一距离值和第二距离值，所述第一距离值为每个所述天线单元与转台中心的距离信息，所述第二距离值为每个所述天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息；
    计算每个所述天线单元的相位方向图，并根据每个所述天线单元的相位、和所述第一距离值，对每个所述天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个所述天线单元的相位误差值；以及
    根据每个所述天线单元的相位、幅度、所述第二距离值和所述相位误差值，将多个所述天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束。
  2. 根据权利要求1所述的波束合成方法，其特征在于，计算每个所述天线单元的相位方向图，并根据每个所述天线单元的相位、和所述第一距离值，对每个所述天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个所述天线单元的相位误差值包括：
    计算每个所述天线单元的相位方向图；
    将每个所述天线单元的相位、和所述第一距离值代入相位补偿公式，以得到每个所述天线单元的相位误差值，从而对每个所述天线单元的相位方向图进行补偿，其中，所述相位补偿公式为：
    Figure PCTCN2018124557-appb-100001
    其中，φ′ i为天线单元i的相位误差值，φ i为所述天线单元i的相位，r i为所述天线单元i的第一距离值，λ为所述阵列天线发出的电磁波的波长，其中，i为大于1小于n的自然数，且n为天线的数量。
  3. 根据权利要求2所述的波束合成方法，其特征在于，根据每个所述天线单元的相位、幅度、所述第二距离值和所述相位误差值，将多个所述天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束包括：
    获取每个所述天线单元的射频信号的偏转角，且每个所述天线单元的 偏转角相同；
    根据每个所述天线单元的相位、幅度、所述第二距离值和所述相位误差值，计算得到所述天线波束，其中，计算公式为：
    Figure PCTCN2018124557-appb-100002
    其中，A total为所述天线波束，A i为所述天线单元i的幅度，所述e表示自然常数，所述d为所述第二距离值，k为电磁波传播矢量，所述θ为所述偏转角。
  4. 根据权利要求3所述的波束合成方法，其特征在于，所述波束合成方法还包括：
    获取多个所述天线单元的远场方向图；
    根据所述天线波束，生成所述天线波束的远场方向图，并比较所述多个天线单元的远场方向图和所述天线波束的远场方向图中的天线信号的走势；
    若一致，则确定计算得到的所述天线波束正确。
  5. 根据权利要求1所述的波束合成方法，其特征在于，在所述天线阵列中，任意两个天线单元之间的第二距离值相等。
  6. 一种测量阵列天线的波束合成装置，所述阵列天线包括多个天线单元，其特征在于，包括：
    获取模块，用于获取每个天线单元的相位、幅度、和相关距离值，其中，所述相关距离值包括第一距离值和第二距离值，所述第一距离值为每个所述天线单元与转台中心的距离信息，所述第二距离值为每个所述天线单元与相邻的天线单元之间的距离信息；
    计算补偿单元，用于计算每个所述天线单元的相位方向图，并根据每个所述天线单元的相位、和所述第一距离值，对每个所述天线单元的相位方向图进行补偿，以得到每个所述天线单元的相位误差值；以及
    合成单元，用于根据每个所述天线单元的相位、幅度、所述第二距离值和所述相位误差值，将多个所述天线单元的射频信号进行合成，以得到天线波束。
  7. 根据权利要求6所述的波束合成装置，其特征在于，所述计算补偿 单元包括：
    第一计算单元，用于计算每个所述天线单元的相位方向图；
    补偿单元，用于将每个所述天线单元的相位、和所述第一距离值代入相位补偿公式，以得到每个所述天线单元的相位误差值，从而对每个所述天线单元的相位方向图进行补偿，其中，所述相位补偿公式为：
    Figure PCTCN2018124557-appb-100003
    其中，φ′ i为天线单元i的相位误差值，φ i为所述天线单元i的相位，r i为所述天线单元i的第一距离值，λ为所述阵列天线发出的电磁波的波长，其中，i为大于1小于n的自然数，且n为天线的数量。
  8. 根据权利要求7所述的波束合成装置，其特征在于，所述合成单元包括：
    第一获取子模块，用于获取每个所述天线单元的射频信号的偏转角，且每个所述天线单元的偏转角相同；
    第二计算单元，用于根据每个所述天线单元的相位、幅度、所述第二距离值和所述相位误差值，计算得到所述天线波束，其中，计算公式为：
    Figure PCTCN2018124557-appb-100004
    其中，A total为所述天线波束，Ai为所述天线单元i的幅度，所述e表示自然常数，所述d为所述第二距离值，k为电磁波传播矢量，所述θ为所述偏转角。
  9. 根据权利要求8所述的波束合成装置，其特征在于，所述波束合成装置还包括：
    第二获取子模块，用于获取多个所述天线单元的远场方向图；
    比较单元，用于根据所述天线波束，生成所述天线波束的远场方向图，并比较所述多个天线单元的远场方向图和所述天线波束的远场方向图中的天线信号的走势；
    确定单元，用于若一致，则确定计算得到的所述天线波束正确。
  10. 根据权利要求6所述的波束合成装置，其特征在于，在所述天线阵列中，任意两个天线单元之间的第二距离值相等。
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