阵列天线模拟多波束赋形方法技术

本发明专利技术公开了阵列天线模拟多波束赋形方法，属于阵列信号处理技术领域，提供了4种多波束赋形方法，适用于高频段定向通信，相控雷达多方向检测，分别是：(1)在给定2个方向波束增益需求的比例时，进行相位控制波束赋形；(2)在给定2个方向波束增益中其中1个的下确界时，进行相位控制波束赋形；(3)在给定K个方向波束增益需求的比例时，进行联合相位幅度控制波束赋形；(4)在给定K个方向波束增益权重因子时，进行相位控制波束赋形。以上四种方法分别在不同场景需求下，实现了低复杂度的毫米波波束赋形，使得毫米波通信中的阵列天线能够同时瞄准多个方向，同时获得多个方向上的阵列增益，以满足多个终端设备同时接入的需求。 1

Multi beam modeling method for array antenna simulation

The invention discloses an array antenna analog multi beam forming method, which belongs to the field of array signal processing technology, and provides 4 multi beam forming methods. It is suitable for high frequency directional communication and phased radar multi direction detection. (1) phase control beamforming is carried out in the ratio of the given beamforming requirement in the given 2 directions, respectively. (2) phase control beamforming is carried out when 1 of the 2 direction beam gain is lower, and (3) joint phase amplitude control beamforming is carried out in a given K direction beam gain demand ratio; (4) phase control beamforming is carried out in a given K direction beam gain weighting time. The above four methods, under the demand of different scenes, realize the low complexity of the millimeter wave beam. The array antenna in the millimeter wave communication can simultaneously aim multiple directions at the same time, and obtain the array gain in multiple directions to meet the needs of multiple terminal devices at the same time. One

【技术实现步骤摘要】
阵列天线模拟多波束赋形方法
本专利技术属于阵列信号处理
，具体是指在通信和雷达中，同时进行多个波束方向的模拟波束赋形方法。
技术介绍
毫米波通信(MillimeterWaveCommunication)被视为第五代移动网络(TheFifthGenerationMobileNetworks,5G)的一项关键技术，其良好的性质和前景引起了学术界和工业界的广泛关注。一方面，毫米波30GHz-300GHz的频域带宽能够提供丰富的可利用的频谱资源；另一方面，毫米波具有极窄的波束，可以大大减小元器件的尺寸，同时毫米波具有极好的方向性，可以实现大规模天线阵列，利用天线阵列增益进行定向通信。随着5G时代的到来，移动终端数量迅速增长，万物联网的需求使得移动终端的接入量大大提高，预计在2020年，全球将有约500亿终端设备接入无线移动网络。在传统的毫米波通信当中，由于毫米波传播具有较强的距离衰减特性，通常采用波束赋形的方法来弥补传播中的能量损失，其核心思想是利用阵列天线的相位和幅度差异，使得信号强度在特定方向得到加强，称之为阵列增益。然而，在传统的波束赋形方法中，单个射频下的阵列天线只能将能量集中在一个方向，导致其他方向上的阵列增益非常小，这限制了接入设备的数量。如果通过对天线相位及幅度的控制，使得阵列天线可以同时获得多个方向的阵列增益，就会成倍地提高接入设备的数量。因此，利用阵列天线进行模拟多波束赋形在未来5G毫米波通信当中具有非常重要的意义。事实上，不仅仅是地面毫米波通信，阵列通信还广泛应用于Ku波段、X波段等高频段数据链和相控阵雷达中。例如，对于空地链路，地面站与无人机进行定向通信时，多波束赋形可以成倍地提高接入无人机的数量，突破目前“一机一站”的限制，实现“多机一站”的高效测控及数传；在相控雷达中，利用模拟多波束赋形能够同时实现多个方向的检测，加快对目标的探测速度。目前的模拟波束赋形方法中，单个射频只能实现瞄准一个方向上的波束，实现多个方向上的波束必须采用多个射频，而本专利技术首次提出的单个射频下的多波束赋形，能够有效的降低硬件复杂度。
技术实现思路
为了降低硬件复杂度，采用模拟波束赋形时，阵列天线共用同一个射频(RadioFrequency,RF)，本专利技术提供了一种阵列天线模拟多波束赋形方法，适用于阵列天线通信及阵列天线雷达检测。在不同的场景下，分别考虑相位控制和联合相位幅度控制两种方式进行多波束赋形。本专利技术提供的阵列天线模拟多波束赋形方法，阵列天线共用同一个射频，为天线设定不同的权重系数，使得天线阵列在不同的方向上同时获得增益。设天线个数为N；波束赋形向量为w，也就是各天线的权系数向量；给定用户所处方向对应发射角的余弦值为Ωk,k＝1,2,…,K，K为用户总数，为用户k设置的转向向量为ak。本方法包括如下四种情况：情况1：在给定2个方向波束增益需求的比例时，进行相位控制波束赋形；对于情况1，设置波束赋形向量中各分量幅度相等，引入中间变量α构建优化问题，优化问题的目标是求取使得α最小的波束赋形向量，条件需满足：用户1和用户2的和满足给定的比例要求，各天线的权重系数的绝对值均不大于α；在求解时，先通过相位旋转使得是实数，然后再搜索的最优方向，求取最优解；其中，a1、a2分别是用户1和用户2的转向向量，上角标H表示共轭转置。情况2：在给定2个方向波束增益中其中1个的下确界时，进行相位控制波束赋形；对于情况2，设置波束赋形向量中各分量幅度相等，优化问题的目标是求取使得最大的波束赋形向量，条件还需满足：用户的波束增益满足给定的下确界要求。情况3：在给定K个方向波束增益需求的比例时，进行联合相位幅度控制波束赋形；对于情况3，设计优化问题为：针对每一个用户k，找到一个波束赋形向量，使得在该波束赋形下其他用户的波束增益均为0，最大化该用户方向上的增益，在求解时满足波束赋形向量总功率||w||≤1的条件；最后，将求取的各用户的波束赋形向量，与各用户的波束增益需求比例相乘后叠加，获取最终的波束赋形向量。情况4：在给定K个方向波束增益权重因子时，进行相位控制波束赋形。对于情况4，设置波束赋形向量各分量的幅度相等，求取使得K个用户的波束增益的加权和最大的波束赋形向量，各用户的波束增益的权重为给定的权重因子。本专利技术的优点与积极效果在于：(1)本专利技术方法针对4种情况提供了获取波束赋形的方法，能根据不同场景需求，采用相应的方法进行多波束赋形；(2)本专利技术中的波束赋形方法对硬件要求较低，一组阵列天线共享同一个射频，通过调节天线的相位和幅度就可以实现波束成形；(3)本专利技术设计的4种情况的多波束赋形方法在单个射频下实现模拟多波束赋形，具有较低的硬件复杂度，同时具有较低的计算复杂度，可以快速实现波束成形。附图说明图1是本专利技术实现多波束赋形方法的系统模型示意图；图2是本专利技术方法针对情况1的波束赋形效果示意图；图3是本专利技术方法针对情况2的波束赋形效果示意图；图4是本专利技术方法针对情况3的波束赋形效果示意图；图5是本专利技术方法针对情况4的波束赋形效果示意图。具体实施方式下面将结合附图和实例对本专利技术作进一步的说明。如图1所示，基站将射频信号经相位转换器、功率放大器，由阵列天线发射出去。本专利技术所要求解的多波束赋形问题是：在给定终端所处方向对应发射角(AngleofDeparture,AoDs)的情况下，为阵列天线设计波束赋形向量w，即各天线的权系数向量，形成同时瞄准多个方向的波束。记总天线个数为N，采用半波长的均匀阵列天线，w表示波束赋形向量，即各天线的权系数向量，给定用户所处方向对应发射角(AngleofDeparture,AoDs)的余弦值为Ωk,k＝1,2,…,K，K为用户总数；设a(·)表示转向向量的函数，用户k的转向向量为本专利技术提供的阵列天线模拟多波束赋形方法，实现在单个射频下，为天线设定不同的权重系数，使得天线阵列在不同的方向上同时获得增益。本专利技术根据不同的硬件条件及增益需求场景，提供了如下四种情况：情况1：在给定2个方向波束增益需求的比例时，进行相位控制波束赋形；情况2：在给定2个方向波束增益中其中1个的下确界时，进行相位控制波束赋形；情况3：在给定K个方向波束增益需求的比例时，进行联合相位幅度控制波束赋形；情况4：在给定K个方向波束增益权重因子时，进行相位控制波束赋形。其中，情况1、情况2、情况4实现的方法适用于相控天线阵，情况3实现的方法适用于相位幅度都可控的天线阵。下面针对各情况的实现方法进行具体说明。情况1：在给定2个方向波束增益需求的比例时，进行相位控制波束赋形。设给定2方向波束增益需求的比例为对应两个方向的用户标记为用户1和用户2，仅进行相位控制，即波束赋形向量各分量幅度相等为满足天线权系数的模长相等引入的中间变量α，设计如下优化问题：Subjectto|[w]i|≤α；i＝1,2,…,N其中，a1、a2分别是用户1和用户2的转向向量，上角标H表示共轭转置，[w]i表示第i个天线的权重系数。显然，波束赋形向量w可以整体进行相位旋转，并且不会影响到波束增益的取值，所以如果w是最优解，也是最优解，其中代表相位旋转量，取值范围是[0,2π)。不失一般性，可以通过相位旋转选择合适的使得是实数，在此基础上搜索的最优方向，上述可以转化为S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种阵列天线模拟多波束赋形方法，其特征在于，阵列天线共用同一个射频，该方法

【技术特征摘要】
1.一种阵列天线模拟多波束赋形方法，其特征在于，阵列天线共用同一个射频，该方法为天线设定不同的权重系数，使得天线阵列在不同的方向上同时获得增益；设天线个数为N；波束赋形向量为w，也就是各天线的权系数向量；给定用户所处方向对应发射角的余弦值为Ωk,k＝1,2,…,K，K为用户总数，为用户k设置的转向向量为ak；包括如下四种情况：情况1：在给定2个方向波束增益需求的比例时，进行相位控制波束赋形；对于情况1，设置波束赋形向量中各分量幅度相等，引入中间变量α构建优化问题，优化问题的目标是求取使得α最小的波束赋形向量，条件需满足：用户1和用户2的和满足给定的比例要求，各天线的权重系数的绝对值均不大于α；在求解时，先通过相位旋转使得是实数，然后再搜索的最优方向，求取最优解；其中，a1、a2分别是用户1和用户2的转向向量，上角标H表示共轭转置；情况2：在给定2个方向波束增益中其中1个的下确界时，进行相位控制波束赋形；对于情况2，设置波束赋形向量中各分量幅度相等，优化问题的目标是求取使得最大的波束赋形向量，条件还需满足：用户的波束增益满足给定的下确界要求；情况3：在给定K个方向波束增益需求的比例时，进行联合相位幅度控制波束赋形；对于情况3，设计优化问题为：针对每一个用户k，找到一个波束赋形向量，使得在该波束赋形下其他用户的波束增益均为0，最大化该用户方向上的增益，在求解时满足波束赋形向量总功率||w||≤1的条件；最后，将求取的各用户的波束赋形向量，与各用户的波束增益需求比例相乘后叠加，获取最终的波束赋形向量；情况4：在给定K个方向波束增益权重因子时，进行相位控制波束赋形；对于情况4，设置波束赋形向量各分量的幅度相等，求取使得K个用户的波束增益的加权和最大的波束赋形向量，各用户的波束增益的权重为给定的权重因子。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的情况1下，具体进行相位控制波束赋形的方法是：设给定用户1和用户2两个方向的波束增益需求的比例为仅进行相位控制，设置波束赋形向量中各分量幅度相等，表示为引入的中间变量α设计如下优化问题：Subjectto|[w]i|≤α；i＝1,2,…,N其中，a1、a2分别是用户1和用户2的转向向量，上角标H表示共轭转置；通过相位旋转使得是实数，设相位旋转量为然后在此基础上搜索的最优方向，将上述优化问题转化为：Subjectto|[w]i|≤α；i＝1,2,…,N其中，Re()表示复数的实部；M是搜索相位的总个数，m＝1,2,…,M；求解M个优化问题，选择所有优化问题中α取最小值的解，记为然后对波束赋形向量进行功率归一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，曹先彬，朱立鹏，肖振宇，吴大鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11