一种基于权向量映射的相控阵方向图校准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于权向量映射的相控阵方向图校准方法，属于阵列天线技术领域。可应用在相控阵和自适应阵列的设计中。所述方法具体为根据理想点源阵列方向图权向量和实际天线阵列方向图权向量之间的关系，建立矩阵方程，计算出方向图校准矩阵。本方法相对于其他方法需要测试的量，阵列方向图更容易测试，工作量更小；相比其它方法，本方法更适合大角度范围的波束校准；本方法同时计入了射频通道的幅相误差，因此，对通道的幅相不一致性也同时进行了校准。

A calibration method for phased array map based on weight vector mapping

The invention discloses a calibration method of phased array direction map based on weight vector mapping, which belongs to the field of array antenna technology. It can be used in the design of phased array and adaptive array. According to the relation between the weight vector of the ideal point source array and the weight vector of the actual antenna array, the matrix equation is established, and the calibration matrix of the direction map is calculated. Other methods to test the method relative to the array pattern easier to test, the workload is much smaller; compared with other methods, this method is more suitable for the beam calibration of large angle range; this method also included a radio channel amplitude and phase error, therefore, the channel amplitude and phase consistency is also calibrated.

【技术实现步骤摘要】
一种基于权向量映射的相控阵方向图校准方法
本专利技术具体涉及一种基于权向量映射的相控阵方向图校准方法，属于阵列天线
可应用在相控阵和自适应阵列的设计中。
技术介绍
宽角扫描和高精度波束指向在诸如探测、测向等方面有重要的应用。然而，由于单元间耦合和单元方向图的影响，宽角扫描性能往往打折扣。特别是在远离法线方向时，阵列的最大增益波束指向会偏离期望方向较大。为此，很多互耦补偿和波束校准的方法被提出。I.J.Gupta,A.A.Ksienski,“Effectofmutualcouplingontheperformanceofadaptivearrays”,IEEETrans.AntennasPropagat.,Vol.31,No.5,pp.785-791,Sep.1983.提出的开路电压法，在波达方向估计和波束形成等方面都有应用。H.T.Hui,“Apracticalapproachtocompensateforthemutualcouplingeffectinanadaptivedipolearray”,IEEETransactionsonAntennasandPropagation,vol.52,no.5,pp1262-1269,May2004.提出了接收互耦阻抗的概念用于线天线阵列的互耦补偿。文献K.Dandekar,H.Ling,andG.Xu,“Experimentalstudyofmutualcouplingcompensationinsmartantennaapplications,”IEEETrans.WirelessCommun.,Vol.1,No.3,pp.480-487,Jul.2002.采用最小二乘法给出了互耦补偿矩阵的求解公式，其中，理想点源阵列流形和实际阵列流形间的关系被用来推导互耦补偿矩阵。并用在由线天线圆阵的波束校准上。相同的方法被用在T.Su,K.DandekarandH.Ling,“Simulationofmutualcouplingeffectincirculararraysfordirection-findingapplication”,Microwaveandopticaltechnologyletters,Vol.26,No.5,pp.331-336,Sep.2000.B.Lindmark,“ComparisonofMutualCouplingCompensationtoDummyColumnsinAdaptiveAntennaSystems”,IEEETrans.AntennasPropag.,Vol.53,No.4,pp.1332-1336,April2005.等文献中进行波达方向估计或者波束校准。然而，I.J.Gupta,J.R.Baxter,et.al.,“Anexperimentalstudyofantennaarraycalibration”,IEEETrans.AntennasPropag.,Vol.51,No.3,pp.664-667,2003.的研究结果表明天线是散射特性越强，对于实际的阵列，算法加权方向图与实际方向图的差别越大，互耦矩阵的概念可能不会很好的起作用。因此，该研究解释了开路电压法和接收互阻抗法在由线天线构成的阵列中会得到较好的应用效果，因为线天线被认为是散射最小的一类天线。但是，对于由微带天线构成的阵列，则见不到同样好的效果。上述第三篇文献采用的方法在本质上并没有对互耦进行补偿，因为它并没有将孤立天线的方向图作为拟合目标，而是将理想点源方向图作为拟合目标Q.详见(Huang,H.Zhou,J.Bao,,et.al.,“MutualCouplingCalibrationforMicrostripAntennaArraysviaElementPatternReconstructionMethod”,IEEEAntennasandWirelessPropagationLetters,Vol.13,pp.51-54,Jan.,2014.)。因此，这种方式其实是将天线的方向图变得更加一致。这种措施在DOA估计和波束形成方面是会发挥积极作用的。然而，当考察由较多天线构成的相控阵或自适应阵列波束形成时，该方法虽然也能对波束指向进行一定的修正，但是依然存在较大的误差，特别是在远离法线方向形成波束时。为了获得更精确的波束指向和更宽的扫描范围，我们提出了基于权向量映射的方向图校准方法。该校准矩阵具有原始校准矩阵更好的主波束校准效果。
技术实现思路
因此，针对现有技术的上述问题，本专利技术提供一种基于权向量映射的相控阵方向图校准方法，本方法根据理想点源阵列方向图权向量和实际天线阵列方向图权向量之间的关系，计算出方向图校准矩阵。采用此校准矩阵对实际阵列权值进行校准可以减小方向图主波束指向误差。考虑一个包含N个单元的均匀直线阵，阵元间距为d，单元沿Y轴排列，对于该阵列，我们在水平面附近进行波束形成，希望在水平面获得高精度的波束指向，并实现宽角度扫描特性，采用理想点源阵列模型，可以快速计算出阵列权值，但是注意到这个权向量应用在实际阵列上是会产生一定的波束指向偏差的，假设对应角度θi的权向量为W，若假设采用仅相位加权，则Wi＝exp{2πjD/λsin(θi)}其中D为阵列单元位置构成的向量，采用权向量W后，阵列的实际指向为θ′i，此时该角度对应的权向量应为：W′i＝exp{5πjD/λsin(θ′i)}为了计算校准矩阵，在扫描范围内取多个方向θi(i＝1，2，…M)，则上述两种情况下的权向量就构成了两个矩阵，即W＝[W1W2…WM]W′＝[W′1W′2…W′M]假设校准矩阵为C，则W＝CW′为了获得更加精确的校准矩阵，M的取值一般应不小于阵列单元数目，那么根据最小二乘解，C＝WW′H{W′W′H}-1那么，如果要获得θ方向的校准权值，则首先需要计算出理想点源阵列的权值W0(θ)，采用校准矩阵校准后就可以得到实际波束指向更加准确的权值即：本专利技术的积极进步效果在于，该方法与之前的方法最大的不同在于，以前的方法需要针对天线单元计算或者测试方向图、端口电压、互阻抗等，本方法则是计算或者测量阵列的方向图。这样做的好处在于：(1)相对于其他方法需要测试的量，阵列方向图更容易测试，工作量更小；(2)相比其它方法，本方法更适合大角度范围的波束校准；(3)本方法同时计入了射频通道的幅相误差，因此，对通道的幅相不一致性也同时进行了校准。附图说明：图1为阵列模型示意图；图2为十六元直线阵示意图；图3为天线单元模型示意图；图4波束指向40度时的补偿效果示意图；图5波束指向40度时主波束局部放大示意图；图6波束指向60度时的补偿效果示意图；图7波束指向60度时主波束局部放大示意图；图8为本专利技术校准方法的流程图。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行说明：在波达方向估计应用中的阵列校准，是要去除接收信号中的互耦分量，减小相位模糊，从而获得更精确的角度估计。接收或发射波束形成中的阵列校准是使校准后的阵中单元具有更好的方向图一致性和宽角覆盖特性，从而获得宽角度扫描和精确的指向。因此，在波达方向估计中采用孤立单元方向图作为拟合的目标是合适的，而在波束形成的应用中采用理想点源方向图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于权向量映射的相控阵方向图校准方法，其特征在于，所述方法具体为：根据理想点源阵列方向图权向量和实际天线阵列方向图权向量之间的关系，建立矩阵方程，计算出方向图校准矩阵。

【技术特征摘要】
1.一种基于权向量映射的相控阵方向图校准方法，其特征在于，所述方法具体为：根据理想点源阵列方向图权向量和实际天线阵列方向图权向量之间的关系，建立矩阵方程，计算出方向图校准矩阵。2.如权利要求1所述的基于权向量映射的相控阵方向图校准方法，其特征在于，所述方法中所述的矩阵方程包含不同波束指向时的理想点源阵列方向图权向量和实际天线阵列方向图权向量，两组权向量构成两个矩阵。3.如权利要求2所述的基于权向量映射的相控阵方向图校准方法，其特征在于，所述方法具体为：一个包含N个单元的均匀直线阵，阵元间距为d，单元沿Y轴排列，采用理想点源阵列模型，对应角度θi的权向量为W，假设采用仅相位加权，则Wi＝exp{2πjD/λsin...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄丘林，孔德武，廖理，刘振兴，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61