一种基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法，包括1、输入移相器的位数和预相位的种类数；2、计算预相位的相位间隔；3、构造在每个阵元预加了预相位的新型相控阵；4、生成阵元激励电流的归一化幅度分布；5、输入预期波束指向；6、用混合馈相法，对整个阵列的精确馈电相位进行多次量化，得到多次量化的馈电相位；7、分别计算副瓣和波束指向误差，择优选择初始种群；8、用启发式算法进一步优化，得到副瓣电平接近精确馈相效果的全局最优解；9、反演每个阵元对应的移相器状态。本发明专利技术克服了传统相控阵在低比特馈相时存在高副瓣的问题，通过降低移相器位数来降低相控阵的控制复杂度，简化控制结构，降低成本。降低成本。降低成本。

A phased array antenna design method based on pre phase and hybrid phase feed method

【技术实现步骤摘要】
一种基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法


[0001]本专利技术属于相控阵天线
，尤其涉及一种基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法。

技术介绍

[0002]因为阵元增益可提高的范围有限，所以相控阵天线主要通过扩大阵列规模来提高阵列增益，大规模相控阵是一个重要的研究方向。目前，在相控阵中主要是使用的4Bit，5Bit，6Bit的高比特移相器，然而高比特移相器在大规模相控阵中的应用却存在两个问题。第一、大规模相控阵如果采用并行总线会导致控制结构复杂，如果采用串行总线会导致波控码的发码延迟增大，这在波速需要快速扫描的应用场景中是不利的。第二、高比特移相器价格昂贵，占据了大规模相控阵天线的成本的主要部分。
[0003]如果能够采用低比特移相器比如1Bit移相器，或者2Bit移相器来代替高比特移相器，同时保持与精确馈相时相近的副瓣电平，将极大地降低控制复杂度和大规模相控阵的成本。然而，目前1Bit和2Bit的低比特反射阵的应用较多，而低比特的相控阵却鲜有应用，最主要的问题是低比特移相器能够提供的馈电相位的种类过少，相位量化误差过大，而导致副瓣极高，很难实现低副瓣。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法，以解决低比特移相器能够提供的馈电相位的种类过少，量化误差过大，而导致副瓣极高，很难实现低副瓣的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的具体技术方案如下：
[0006]一种基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、输入移相器的位数Q和预相位的种类数P；
[0008]步骤2、计算预相位的相位间隔Δγ；计算第i种预相位的相位值γ
i
；计算预加了第i种预相位的阵元的馈电相位的集合X
i
＝{x
i，1
，x
i，2
，...，x
i，t
}，i＝1，2，...，P，t＝1，2，...，2
Q
；x
i，t
表示预加了第i种预相位的阵元在移相器状态为t时所能获得的馈电相位，x
i，t
等于第i种预相位的相位值γ
i
和此时移相器相位值δ
t
之和；
[0009]步骤3、根据移相器的位数Q选择不同的预相位排布方式，构造在每个阵元预加了预相位的新型相控阵；若Q＜2，即Q＝1，则预相位的排布方式是关于阵列中心非对称的；若Q≥2，则预相位的排布方式是关于阵列中心非对称或是关于阵列中心对称；
[0010]步骤4、根据预期的副瓣要求，生成阵元激励电流的归一化幅度分布；
[0011]步骤5、输入预期波束指向，根据预期波束指向生成每个阵元的精确的馈电相位；
[0012]步骤6、用混合馈相法，对整个阵列的精确馈电相位进行QBit量化，初步对消副瓣，得到QBit量化的馈电相位，并重复这一过程共S次，得到S个集合，每个集合包含其中一次混合馈相后的整个阵列的QBit量化的馈电相位；
[0013]步骤7、将步骤6得到的S个的集合中的QBit量化的馈电相位和阵元激励电流的归一化幅度相结合，转化为复激励，分别计算副瓣电平SLL和波束指向误差；从选出副瓣较低且波束指向误差在0.5deg之内的L个集合，其中L＜S，构成待优化的初始种群；
[0014]步骤8、利用步骤7得到的初始种群，以QBit量化的馈电相位为优化变量，以副瓣电平SLL为目标函数，通过启发式优化方法，对初始种群的进行优化，对消副瓣，得到与精确馈相时相比副瓣电平上升在1dB之内的全局最优解；
[0015]步骤9、利用步骤8得到的全局最优解反演出此时的每个阵元对应的移相器状态t_best，这里t_best＝1，2，..，2
Q
。
[0016]进一步的，所述步骤1中，Q为正整数，P为正整数，且P≥2。
[0017]进一步的，所述步骤2中预相位的间隔Δγ的计算方法如式(1)所示，第i种预相位的相位值γ
i
的计算方法如式(2)所示，预加了第i种预相位的阵元在移相器状态为t时所能获得的馈电相位x
i，t
的计算方法如式(3)所示。
[0018][0019]γ
i
(i
‑
1)
·
Δγ
ꢀꢀꢀ
(2)
[0020][0021]这里表示移相器的移相间隔；表示QBit移相器的在第t种状态的相位值。
[0022]进一步的，所述步骤3中预相位的既可以在硬件中来实现也可以在数字域中实现；
[0023]所述硬件包括移相器和延迟线；所述数字域包括预设时间延迟。
[0024]进一步的，所述步骤3中每个阵元仅需从P种不同的预相位种选择一种预加，预相位排布方式一旦确定，就不能改变，即新型相控阵中波束扫描仅通过移相器切换状态来实现，而不需要再次改变预相位的排布方式。
[0025]进一步的，所述步骤6中混合馈相法为直接量化和随机量化相结合的方法，即对直接量化范围内的精确馈电相位进行直接量化，对直接量化范围外的精确馈电相位进行随机量化，通过常数C来控制直接量化和随机量化的边界，C∈(0，0.5)：
[0026]因为相位以360deg为周期的，所以任一个加载了第i种预相位的阵元的精确相位φ
i
一定满足γ
i
+(R
‑
1)
·
Δδ≤φ
i
≤γ
i
+R
·
Δδ，这里R为整数；设置精确相位φ
i
经过混合馈相后的变为QBit量化的馈电相位ψ
i
，对直接量化范围内的φ
i
，采用直接量化，ψ
i
取距离最近的QBit量化的相位值，如式(4
‑
1)和式(4
‑
2)所示；对随机量化范围内的φ
i
，采用随机量化，每次量化生成一个随机数rand，当rand≤0.5时，ψ
i
取QBit量化的舍尾值，如式(5
‑
1)所示；当rand＞0.5时，ψ
i
取QBit量化的进位值，如式(5
‑
2)所示。因为相位以360deg为周期的，加载了第i种预相位的阵元的量化相位ψ
i
等价转化到x
i，t
，即ψ
i
∈X
i
；
[0027][0028][0029]进一步的，所述步骤6中不同次混合馈相时，C的值可以不一样。
[0030]进一步的，所述步骤8的优化方法为启发式全局优化算法，包括但不限于遗传算法和粒子群算法。
[0031]进一步的，所述步骤9中的移相器状态t_best的反演公式与该阵元预加的预相位种类i有关，如(6)所，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、输入移相器的位数Q和预相位的种类数P；步骤2、计算预相位的相位间隔Δγ；计算第i种预相位的相位值γ
i
；计算预加了第i种预相位的阵元所能获得的馈电相位的集合X
i
＝{x
i，1
，x
i，2
，...，x
i，t
}，i＝1,2，...，P，t＝1,2，...，2
Q
；x
i,t
表示预加了第i种预相位的阵元在移相器状态为t时所能获得的馈电相位，x
i,t
等于第i种预相位的相位值γ
i
和此时移相器相位值δ
t
之和；步骤3、根据移相器的位数Q选择不同的预相位排布方式，构造在每个阵元预加了预相位的新型相控阵；若Q＜2，即Q＝1，则预相位的排布方式是关于阵列中心非对称的；若Q≥2，则预相位的排布方式是关于阵列中心非对称或是关于阵列中心对称；步骤4、根据预期的副瓣要求，生成阵元激励电流的归一化幅度分布；步骤5、输入预期波束指向，根据预期波束指向生成每个阵元的精确的馈电相位；步骤6、用混合馈相法，对整个阵列的精确馈电相位进行QBit量化，初步对消副瓣，得到QBit量化的馈电相位，并重复这一过程共S次，得到S个集合，每个集合包含其中一次混合馈相后的整个阵列的QBit量化的馈电相位；步骤7、将步骤6得到的S个的集合中的QBit量化的馈电相位和阵元激励电流的归一化幅度相结合，转化为复激励，分别计算副瓣电平SLL和波束指向误差；从选出副瓣较低且波束指向误差在0.5deg之内的L个集合，其中L＜S，构成待优化的初始种群；步骤8、利用步骤7得到的初始种群，以QBit量化的馈电相位为优化变量，以副瓣电平SLL为目标函数，通过优化方法，对初始种群的进行优化，对消副瓣，得到与精确馈相相比副瓣电平上升在1dB之内的全局最优解；步骤9、利用步骤8得到的全局最优解反演出此时的每个阵元对应的移相器状态t_best，这里t_best＝1,2，..，2
Q
。2.根据权利要求1所述的基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法，其特征在于，所述步骤1中，Q为正整数，P为正整数，且P≥2。3.根据权利要求1所述的基于预相位和混合馈相法的相控阵天线设计方法，其特征在于，所述步骤2中预相位的间隔Δγ的计算方法如式(1)所示，第i种预相位的相位值γ
i
的计算方法如式(2)所示，预加了第i种预相位的阵元在移相器状态为t时所能获得的馈电相位x
i，t
的计算方法如式(3)所示，γ
i
＝(i
‑
1)
·
Δγ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)这里表示移相器的移相间隔；表示QBit移相器的在第t种状态的相位值。4.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海明，程铭，无奇，余晨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：