基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法技术

本发明专利技术提供一种基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法，包括以下步骤：步骤1.确定主瓣形状、需进行副瓣控制的位置范围和峰值副瓣电平；步骤2.基于点聚焦平面天线阵列建立辐射近场区的辐射模型；步骤3.建立凸优化模型并求解得到天线阵列的激励；本发明专利技术具有能生成辐射近场区成任意形状、副瓣可控的方向图和计算速度快的优点；可用于近场平面阵列天线的优化设计。

【技术实现步骤摘要】
基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法
本专利技术属于天线
，具体是一种基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法。
技术介绍
不同于一般工作在辐射远场区域的天线，对于某些特定场合，要求天线辐射的能量聚集在其近场区域的某一特定点或区域上，这就需要近场聚焦天线。针对近场天线的研究已经持续了很长时间。在特定区域具有高能量密度的近场聚焦天线不仅可以用于提高医学与工业检测系统的探测和成像能力，还能用于门禁系统、微波无线输能系统、射频识别系统以及微波无线电系统等方面，具有广泛的应用前景和研究价值。跟成熟的远场方向图综合方法相比，近场去方向图综合方法较少，且大部分都集中在对点聚焦的研究上，如最初的直接把远场的低副瓣综合方法应用在近场，但这种办法生成的副瓣电平不可控制；又如对整个阵列进行优化的最小均方差方法，但其计算量巨大，对于阵元数一般较大的近场阵列天线来讲，针对所有阵元激励的优化必然增大计算量，同时该方法也无法对方向图主瓣的形状进行控制。
技术实现思路
本专利技术针对上述现有的近场阵列天线方向图综合方法存在的难以控制波束形状、副瓣电平较高且难以控制、计算时间长的问题，提出一种基于凸优化的在辐射近场区可生成任意波束形状、具有可控的副瓣电平的高效算法。为实现上述目的，本专利技术技术方案如下：一种基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法，包括以下步骤：步骤1.确定主瓣形状、需进行副瓣控制的位置范围和峰值副瓣电平；步骤2.基于点聚焦平面天线阵列建立辐射近场区的辐射模型；步骤3.建立凸优化模型并求解得到天线阵列的激励。作为优选方式，步骤2进一步为：步骤2.基于点聚焦平面天线阵列建立辐射近场区的辐射模型；近场聚焦平面阵列采用均匀布阵形式，共有N个阵元，其焦点与平面天线的距离为z，则近场电场强度被表示为：其中r是近场观测点位置，rf是聚焦点位置，rn为第n个阵元的位置，an是第n个单元的复激励，其相位值由焦点位置决定，而幅度以需求的副瓣电平对应的远场切比雪夫或者泰勒低副瓣锥削作为初值；λ是自由空间中的工作波长，Fn(r)是第n个单元的归一化辐射方向图。作为优选方式，步骤3进一步为：步骤3.建立凸优化模型并求解得到天线阵列的激励近场区域任意形状方向图的形成看作由M个不同聚焦位置的近场聚焦波束叠加生成，其焦点位置为(rf1,rf2,…,rfM)，权重为(b1,b2,…,bM)，M通过待生成方向图的主瓣宽度与点聚焦的3dB波束宽度的关系得到，具体的有其中2BSx0.5与2BSy0.5是待生成方向图x、y维度的3dB波束宽度，2By0.5与2By0.5则是点聚焦的3dB波束宽度，此时有M＝Mx×My；值得提出的是，聚焦点位置不同的点聚焦方向图的波束宽度实际上不相等但差别不大，本专利技术将其当做相等来处理；此时待生成的任意形状近场方向图被表示为：对方向图所在平面进行离散，假设离散后共有K个观测点rok,k＝1,…,K，此时Enf写为以下的矩阵形式：Enf＝uAP其中u＝(b1,b2,...,bM)将Enf归一化后，凸优化问题表示为：其中||·||2表示取二范数，Enf_ml和Enf_sl分别为Enf的主瓣和副瓣部分，Mml是待生成方向图的主瓣约束，Msl是待生成方向图的副瓣约束，主瓣部分采用均匀采样，其观测点数为K1，针对副瓣部分，为简化说明，以一维为例，在x<0与x>0的副瓣部分采样方式如下其中x_negt与x_posp分布表示x<0与x>0副瓣区域观测点的位置，t＝1,…,T，p＝1,…,P，sl_neg与sl_pos分别表示为近场x<0与x>0副瓣区域的开始位置，副瓣区域观测点数为K2＝T+P，且有K＝K1+K2。采用凸优化求解器对该问题进行求解得到u，阵列的激励I则通过I＝uA得到。本专利技术的有益效果为：本专利技术具有能生成辐射近场区成任意形状、副瓣可控的方向图和计算速度快的优点；可用于近场平面阵列天线的优化设计。附图说明图1为本专利技术的流程图。图2为用本专利技术设计得到的阵列天线实例的辐射近场区方向图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。一种基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法，包括以下步骤：步骤1.确定主瓣形状、需进行副瓣控制的位置范围和峰值副瓣电平；步骤2.基于点聚焦平面天线阵列建立辐射近场区的辐射模型；近场聚焦平面阵列采用均匀布阵形式，共有N个阵元，其焦点与平面天线的距离为z，则近场电场强度被表示为：其中r是近场观测点位置，rf是聚焦点位置，rn为第n个阵元的位置，an是第n个单元的复激励，其相位值由焦点位置决定，而幅度以需求的副瓣电平对应的远场切比雪夫或者泰勒低副瓣锥削作为初值；λ是自由空间中的工作波长，Fn(r)是第n个单元的归一化辐射方向图。步骤3.建立凸优化模型并求解得到天线阵列的激励。近场区域任意形状方向图的形成看作由M个不同聚焦位置的近场聚焦波束叠加生成，其焦点位置为(rf1,rf2,…,rfM)，权重为(b1,b2,…,bM)，M通过待生成方向图的主瓣宽度与点聚焦的3dB波束宽度的关系得到，具体的有其中2BSx0.5与2BSy0.5是待生成方向图x、y维度的3dB波束宽度，2By0.5与2By0.5则是点聚焦的3dB波束宽度，此时有M＝Mx×My；值得提出的是，聚焦点位置不同的点聚焦方向图的波束宽度实际上不相等但差别不大，本专利技术将其当做相等来处理；此时待生成的任意形状近场方向图被表示为：对方向图所在平面进行离散，假设离散后共有K个观测点rok,k＝1,…,K，此时Enf写为以下的矩阵形式：Enf＝uAP其中u＝(b1,b2,...,bM)将Enf归一化后，凸优化问题表示为：其中||·||2表示取二范数，Enf_ml和Enf_sl分别为Enf的主瓣和副瓣部分，Mml是待生成方向图的主瓣约束，Msl是待生成方向图的副瓣约束。本实例的综合区域为二维平面，主瓣部分采用均匀采样，其观测点数为K1，副瓣部分采样方式由上述的一维采样方式推广过来，采用如下matlab代码采样其中sl为近场副瓣区域的开始位置，副瓣区域观测点数为K2，x_prime为副瓣观测点的位置，且有K＝K1+K2×K2。采用凸优化求解器对该问题进行求解得到u，阵列的激励I则通过I＝uA得到。本专利技术的效果通过以下仿真实验进一步说明：1.设置仿真参数：本实例主瓣形状为主瓣宽度4λ×4λ平头波束，主瓣约束为Mml＝1，其范围为|x|,|y|<2λ，副瓣约束为Msl＝0.1，其范围为|x|,|y|≥2.8λ，即sl＝2.8λ，K1＝2601，K2＝102，K＝13005。采用的天线口径为10λ×10λ，单元间本实例采用口径为10λ×10λ，单元间距为0.5λ的等间距布阵，阵元总数为N＝441，聚焦平面与天线口径的距离为10λ，an的幅度采用20dB远场泰勒低副瓣锥削，M＝25。2.仿真内容根据设置，按照步骤3建立近场聚焦模型，再根据设计要求和近场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1.确定主瓣形状、需进行副瓣控制的位置范围和峰值副瓣电平；步骤2.基于点聚焦平面天线阵列建立辐射近场区的辐射模型；步骤3.建立凸优化模型并求解得到天线阵列的激励。

【技术特征摘要】
1.一种基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1.确定主瓣形状、需进行副瓣控制的位置范围和峰值副瓣电平；步骤2.基于点聚焦平面天线阵列建立辐射近场区的辐射模型；步骤3.建立凸优化模型并求解得到天线阵列的激励。2.根据权利要求1所述的基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法，其特征在于步骤2进一步为：步骤2.基于点聚焦平面天线阵列建立辐射近场区的辐射模型；近场聚焦平面阵列采用均匀布阵形式，共有N个阵元，其焦点与平面天线的距离为z，则近场电场强度被表示为：其中r是近场观测点位置，rf是聚焦点位置，rn为第n个阵元的位置，an是第n个单元的复激励，其相位值由焦点位置决定，而幅度以需求的副瓣电平对应的远场切比雪夫或者泰勒低副瓣锥削作为初值；λ是自由空间中的工作波长，Fn(r)是第n个单元的归一化辐射方向图。3.根据权利要求1所述的基于凸优化的近场阵列天线方向图综合方法，其特征在于步骤3进一步为：步骤3.建立凸优化模型并求解得到天线阵列的激励近场区域任意形状方向图的形成看作由M个不同聚焦位置的近场聚焦波束叠加生成，其焦点位置为(rf1,rf2,…,rfM)，权重为(b1,b2,…,bM)，M通过待生成方向图的主瓣宽度与点聚焦的3dB波束宽度的关系得到，具体的有其中2BSx0.5与2...

【专利技术属性】
技术研发人员：程钰间，黄子轩，吴亚飞，樊勇，宋开军，林先其，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51