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一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法技术

技术编号:15330049 阅读:713 留言:0更新日期:2017-05-16 13:35
一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法,涉及阵列天线。将激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形功率方向图综合问题表述为数学模型;引入辅助变量ξ,将阵列激励幅度动态范围比的约束进行等式变换,等效为对每一个阵元激励平方形式的约束;将赋形波束主瓣和旁瓣的功率约束条件分别转化为矩阵的迹的形式Tr(·),同时将阵元激励的DRR约束也表达为矩阵迹的约束形式;由于该综合问题是一个典型的非线性非凸问题,将某些非凸约束进行松弛,同时通过一些其他的手段进行松弛度的控制,从而将非凸问题转化为凸问题,进而可以利用特征值分解法进行求解,最终得到满足要求的激励幅度分布。

A method for synthesis of array antenna shaped beam with controllable range of excitation amplitude

An array antenna shaped beam synthesis method with controllable excitation range and dynamic range relates to an array antenna. Antenna arrays shaped power pattern synthesis problem will stimulate the controllable amplitude dynamic range is expressed as a mathematical model; introducing auxiliary variables are the array excitation amplitude dynamic range ratio constraint equation transformation, equivalent to the constraint on each element excitation square form; power constraints of the shaped beam main lobe and side lobe are converted to the trace of a matrix in the form of Tr (-) DRR, while the constraint element excitation is expressed as the form of constraint matrix trace; since the problem is non convex problem is a typical nonlinear, some non convex constraints are relaxed, at the same time to control the relaxation by some other means thus, the non convex problem into a convex problem, then using the eigenvalue decomposition method, which can satisfy the requirements of excitation amplitude distribution.

【技术实现步骤摘要】
一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法
本专利技术涉及阵列天线,尤其涉及一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法。
技术介绍
阵列天线的赋形波束方向图在雷达、通信等领域的应用越来越广泛。近年来,关于阵列天线波束赋形的综合问题已存在许多研究。但是,由于赋形波束综合相比聚焦波束更加复杂,目前大部分的研究是对激励幅度和相位同时进行优化,并且没有对激励幅度动态范围进行控制,从而取得期望的赋形方向图[1-2]。相比唯相位优化,对激励的幅度和相位同时进行优化会有更多的自由度,也更容易达到所期望的方向图。但是,幅相同时优化通常会产生一个很大的激励幅度动态范围比(dynamicrangeratio/DRR),这对于阵列馈电系统就会有更高的要求。在实际应用中,如果能够控制激励幅度的波动范围,便可以简化馈电网络设计的复杂性,并且还能够减少传输功率损耗、降低方向图对激励实现误差的敏感度[3]。因此,研究激励幅度动态范围可控的阵列综合十分有意义。目前在阵列综合中有考虑到DRR影响的更多是聚焦波束综合[4],而将赋形波束综合与DRR的控制相结合的研究却很少。中国专利201010575528.3公开了一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法[5],该方法将传统阵列天线的赋形功能和波束扫描功能结合,利用子阵划分的方式,实现固定赋形波束兼可动波束。中国专利201510361848.1公开了一种阵列天线波束赋形方法[6],该方法在基于粒子群算法的基础上,实现激励幅度不变时仅通过相位的改变来实现远场赋形波束变化。中国专利201510659397.X公开了一种阵列天线、阵列天线方向图的赋形装置及赋形方法[7],该专利在考虑互耦的基础上利用改进的遗传算法进行了波束赋形。上述前两篇专利涉及的赋形波束综合方法,都没有考虑阵元间互耦效应的影响,第三篇虽然考虑了互耦效应,但只讨论了线性阵列;另一方面,上述专利都没有对激励幅度动态范围进行控制。参考文献:[1]Fuchs,B.,Applicationofconvexrelaxationtoarraysynthesisproblems[J].IEEETrans.AntennasPropag.,2014,62(2):634-640。[2]Y.Liu,Z.-P.Nie,andQ.H.Liu,Anewmethodforthesynthesisofnon-uniformlineararrays[J]withshapedpowerpatterns,inProc.Prog.Electromagn.Res.,2010,349–363。[3]Comisso,M.andR.Vescovo,3DPowersynthesiswithreductionofnear-feldanddynamicrangeratioforconformalantennaarrays,IEEETrans.AntennasPropag[J].,2011,59(4):1164-1174。[4]M.ComissoandR.Vescovo,Fastco-polarandcross-polar3Dpatternsynthesiswithdynamicrangeratioreductionforconformalantennaarrays,IEEETrans.AntennasPropag[J].,2013,61(2):614–626。[5]杨文丽等.一种赋形可变波束阵列天线的波束赋形方法:中国,201010575528.3[P].2010-12-01。[6]祁峥东等.一种阵列天线波束赋形方法:中国,201510361848.1[P].2015-06-26。[7]张金玲等.阵列天线、阵列天线方向图的赋形装置及赋形方法:中国,201510659397.X[P].2015-10-12。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供不受阵列天线形式的限制,并且可以包含阵元间互耦效应的影响,从而具有一定的普适性和较高实用价值的一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法。本专利技术包括以下步骤:1)将激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形功率方向图综合问题表述为数学模型;2)引入辅助变量ξ,将阵列激励幅度动态范围比的约束进行等式变换,等效为对每一个阵元激励平方形式的约束;3)将赋形波束主瓣和旁瓣的功率约束条件分别转化为矩阵的迹的形式Tr(·),同时将阵元激励的DRR约束也表达为矩阵迹的约束形式;4)由于该综合问题是一个典型的非线性非凸问题,将某些非凸约束进行松弛,同时通过一些其他的手段进行松弛度的控制,从而将非凸问题转化为凸问题,进而可以利用特征值分解法进行求解,最终得到满足要求的激励幅度分布。在步骤1)中,所述数学模型可为:其中,为阵列方向图函数,w为阵列激励组成的列向量,lSB和uSB分别为方向图在赋形区域ΩSB内波动的上下限约束;ρSL为方向图旁瓣区域ΩSL内的上边界约束;DRR(w)为激励幅度波动范围的动态比函数;Dmax是天线设计人员所设定的激励幅度波动阈值。上述赋形功率方向图综合问题,具有非线性非凸的特性。在步骤2)中,所述引入辅助变量ξ,将阵列激励幅度动态范围比的约束进行等式变换,等效为对每一个阵元激励平方形式的约束的具体方法可为:将激励幅度动态范围比(DRR)进行变换,转化为对每一个阵元激励的约束;激励幅度的动态范围比可定义为由于本专利技术中涉及的赋形波束综合为功率方向图形式,所以需将DRR的约束转化为平方形式的约束,即其中,Dmax是天线设计人员所设定的阈值;由于式(2)不方便进一步处理,因此引入一个辅助参数ξ,转化为对每一个阵元激励的约束ξ2≤|wn|≤Dmax2·ξ2,从而求解的未知量中既包括所要优化的阵元激励幅度和相位,也包括辅助变量ξ。本专利技术的基本思想是通过引入辅助变量,将所需综合的阵列问题通过一系列数学变换最终表述为凸松弛(Semi-definiterelaxation/SDR)的形式,从而将典型的非线性非凸问题转换为凸优化问题,进而可以用凸优化工具包对阵列综合问题进行有效求解。具体实现步骤如下:本专利技术的有益效果在于:在进行赋形波束综合时,可以同时控制主瓣形状、副瓣电平和激励幅度动态范围。通过引入辅助变量,阵列激励幅度动态范围比的约束转化成了对每一个阵元激励幅度的约束,进而可以表述为矩阵迹的形式。最后阵列天线赋形综合问题便可以借由凸松弛的思想进行求解。该方法不受阵列天线形式的限制,并且可以包含阵元间互耦效应的影响,从而具有一定的普适性和较高的实用价值。附图说明图1为本专利技术的基于理想点源的均匀线阵平顶波束方向图。在图1中,横坐标为Sinθ,纵坐标为功率方向图[dB]。图2为本专利技术的在满足图1方向图要求下控制激励幅度动态范围时的激励幅度分布。在图2中,横坐标为阵元位置[λ],纵坐标为∣Wi∣。图3为本专利技术的非均匀线性阵列的模型图。图4为本专利技术中考虑耦合的非均匀线阵余割平方方向图。在图4中,横坐标为COSθ,纵坐标为功率方向图[dB]。图5为本专利技术的在满足图4方向图要求下控制激励幅度动态范围且同时考虑阵元互耦影响时的激励幅度分布。在图5中,横坐标为阵元位置[λ],纵坐标为∣Wi∣。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案作进本文档来自技高网
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一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法

【技术保护点】
一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法,其特征在于包括以下步骤:1)将激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形功率方向图综合问题表述为数学模型;2)引入辅助变量ξ,将阵列激励幅度动态范围比的约束进行等式变换,等效为对每一个阵元激励平方形式的约束;3)将赋形波束主瓣和旁瓣的功率约束条件分别转化为矩阵的迹的形式Tr(·),同时将阵元激励的DRR约束也表达为矩阵迹的约束形式;4)将非凸问题转化为凸问题,利用特征值分解法进行求解,最终得到满足要求的激励幅度分布。

【技术特征摘要】
1.一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法,其特征在于包括以下步骤:1)将激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形功率方向图综合问题表述为数学模型;2)引入辅助变量ξ,将阵列激励幅度动态范围比的约束进行等式变换,等效为对每一个阵元激励平方形式的约束;3)将赋形波束主瓣和旁瓣的功率约束条件分别转化为矩阵的迹的形式Tr(·),同时将阵元激励的DRR约束也表达为矩阵迹的约束形式;4)将非凸问题转化为凸问题,利用特征值分解法进行求解,最终得到满足要求的激励幅度分布。2.如权利要求1所述的一种激励幅度动态范围可控的阵列天线赋形波束综合方法,其特征在于在步骤1)中,所述数学模型为:其中,为阵列方向图函数,w为阵列激励组成的列向量,lSB和uSB分别为方向图在赋形区域ΩSB内波动的上下限约束;ρSL为方向图旁瓣区域ΩSL内的上边界约束;DRR(w)为激励幅度波动范围的动态比函数;Dmax是天线设计人员所设...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘颜回白晶晶张正鸿张浩斌游鹏飞王亮
申请(专利权)人:厦门大学中国电子科技集团公司第二十九研究所
类型:发明
国别省市:福建,35

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