一种阵列天线宽波束增益优化方法技术

本发明专利技术属于阵列天线技术领域，尤其是涉及一种阵列天线宽波束增益优化方法。本发明专利技术直接以阵列天线的功率增益表达式为约束对象，通过对阵元因子的优化加权，在同等主瓣增益的情况下，进一步降低副瓣电平。本发明专利技术的有益效果为，本发明专利技术直接以阵列天线的功率增益表达式为约束对象，通过交替迭代方法对阵元激励进行优化，相较于传统的以天线方向图表达式为约束对象的SBPS方法，在获得相同宽主瓣增益的前提下，大大降低了阵列天线的副瓣电平。大大降低了阵列天线的副瓣电平。大大降低了阵列天线的副瓣电平。

【技术实现步骤摘要】
一种阵列天线宽波束增益优化方法


[0001]本专利技术属于阵列天线
，尤其是涉及一种阵列天线宽波束增益优化方法。

技术介绍

[0002]宽波束阵列天线具有广泛的应用，其中一个比较典型的应用场景是移动车载阵列天线对卫星多媒体信号的接收。该场景要求天线具有较宽的主瓣以适应车辆的随机移动特性，以确保天线在不同角度都能很好地接收多媒体信号；同时考虑卫星信号的长距离衰落，要求天线具有一定的增益，以有效恢复多媒体信息。同时为了有效抑制环境噪声和杂波等不利因素对接收信号质量的影响，要求阵列天线具有低副瓣特性。针对此应用需求，现有方法通过对阵列天线各阵元激励的优化合成具有特定形状的宽波束波形，然后再计算器主瓣增益和副瓣电平，因此难以对宽主瓣波束的增益进行控制，从而难以获得给定主瓣增益条件下的最低副瓣特性。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术提出一种阵列天线宽波束增益优化方法，该方法直接以阵列天线的功率增益表达式为约束对象，通过对阵元因子的优化加权，在同等主瓣增益的情况下，进一步降低副瓣电平。
[0004]本专利技术的技术方案为：
[0005]一种阵列天线宽波束增益优化方法，包括：
[0006]以阵列天线的副瓣电平最小化为目标建立优化模型，并通过求解优化模型得到优化的阵元激励；
[0007]所述优化模型为：
[0008]其中，ρ为副瓣电平，w为阵元激励，A(θ,φ)＝a(θ,φ)a
H
(θ,φ)，a(θ,φ)为只与阵因子有关的系数，(θ,φ)表示方向，G0为给定的最小主瓣增益，Θ
M
和Θ
S
分别表示主瓣区域和副瓣区域，(
·
)
H
为共轭转置符；
[0009]将矩阵B分解为两个相同正定矩阵C的乘积，定义P(θ,φ)＝C
‑
H
A(θ,φ)C
‑1，x＝Cw，将优化模型重新构建为：
[0010][0011]对重新构建的优化模型进行求解：
[0012]用x
l
和x
r
代替模型中的左x和右x，同时将第一个约束的左边表达式用实部表示，将第二个约束近似表述为其模值，将第三个等式约束松弛为||x||2≤1，则得到新的优化模型为：
[0013][0014]在给定x
l
的前提下，采用迭代方法，交替更新x
l
和x
r
，其中x
r
由新的优化模型求解得到，x
l
的更新公式为x
l
＝x
l
+0.5(x
r
‑
x
l
)，直到二者间的差距满足设定的阈值后，得到x＝x
l
，从而得到最终的阵列激励w＝C
‑1x。
[0015]给定x
l
的方法为，通过下式初始化x
l
：
[0016]x
l
＝(1
‑
α)x
l1
+αx
l2
[0017]其中x
l1
为通过求解如下问题获得：
[0018][0019]其中x
l2
＝Cw，且
△
ω由平顶波束的主瓣宽度确定，采用试错法获得，N为阵元数；
[0020]x
l
和x
r
之间的差距设定为||x
r
‑
x
l
||≥10
‑3。
[0021]本专利技术的有益效果为：本专利技术直接以阵列天线的功率增益表达式为约束对象，通过交替迭代方法对阵元激励进行优化，相较于传统的以天线方向图表达式为约束对象的SBPS方法，在获得相同宽主瓣增益的前提下，大大降低了阵列天线的副瓣电平。
附图说明
[0022]图1为具有不同主瓣宽度的平顶宽波束赋形。
[0023]图2为传统SBSP方法获得的最小增益和副瓣电平。
[0024]图3为本专利技术方法获得的最小增益和副瓣电平。
具体实施方式
[0025]下面结合附图本专利技术进行详细描述。
[0026]本专利技术考虑具有N个阵元的平面阵列天线，设其位置为(x
n
,y
n
)，n＝1,
…
,N。则阵列天线的电场强度可以描述为：
[0027][0028]其中ω
n
、a
n
(θ,φ)和E
n
(θ,φ)分别为第n的阵元因子的激励、阵因子以及远场电场强度。(θ,φ)表示方向。对上式进行向量化处理，可以得到：
[0029]E(θ,φ)＝w
H
a(θ,φ)
ꢀꢀ
(2)
[0030]其中
[0031][0032]其中为电磁波空间波数。
[0033]通常情况下，阵列天线的阵元特性相同，在进行建模时，可以假设其具有全向辐射特性。此时，是只与阵因子有关的系数，阵列天线的增益(方向性系数)可以定义为：
[0034][0035]将(2)带入(4)，可得：
[0036][0037]其中，A(θ,φ)＝a(θ,φ)a
H
(θ,φ)，给定阵列天线的阵元和形式后，矩阵A(θ,φ)和矩阵B是已知量。
[0038]一种典型的基于求解SBPS(Shaped
‑
Beam Pattern Synthesis，赋形波束合成方法)问题的传统副瓣最小化方法是求解以下优化问题：
[0039][0040]其中，ε为预设的主瓣纹波电平，ρ为待最小化的副瓣电平。Θ
M
和Θ
S
分别表示主瓣区域和副瓣区域，P
d
(θ,φ)为期望阵列波束，对平顶波束而言，其典型值为：
[0041][0042]而本专利技术是采用功率增益波形合成方法(Power Gain Pattern Synthesis，PGPS)，基于PGPS的阵列天线副瓣最小化问题为：
[0043][0044]其中，G0是给定宽主瓣的最小增益，通过式(6)求解得到w后再通过式(5)得到，在实际中其更准确的值是4πG0。由于w
H
Bw表示的是天线在整个空间中的辐射功率，对任意非零的w均有w
H
Bw>0，因此B是正定矩阵，同时由B的定义可知其为Hermitian矩阵，因此矩阵B为可以分解为两个相同正定矩阵C的乘积，即B＝C
H
C。令P(θ,φ)＝C
‑
H
A(θ,φ)C
‑1，x＝Cw，式(8)可重写为：
[0045][0046]将上述问题中的左右x分别定义为x
l
和x
r
，并将第一个约束的左边表达式用其实部表示；将第二个约束近似表述为其模值，同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阵列天线宽波束增益优化方法，其特征在于，包括：以阵列天线的副瓣电平最小化为目标建立优化模型，并通过求解优化模型得到优化的阵元激励；所述优化模型为：其中，ρ为副瓣电平，w为阵元激励，A(θ,φ)＝a(θ,φ)a
H
(θ,φ)，a(θ,φ)为只与阵因子有关的系数，(θ,φ)表示方向，G0为给定的最小主瓣增益，Θ
M
和Θ
S
分别表示主瓣区域和副瓣区域，(
·
)
H
为共轭转置符；将矩阵B分解为两个相同正定矩阵C的乘积，定义P(θ,φ)＝C
‑
H
A(θ,φ)C
‑1，x＝Cw，将优化模型重新构建为：min
x
ρs.t.x
H
P(θ,φ)x≥G0,(θ,φ)∈Θ
M
x
H
P(θ,φ)x≤ρG0,(θ,φ)∈Θ
S
||x||2＝1对重新构建的优化模型进行求解：用x
l
和x
r
代替模型中的左x和右x，同时将第一个约束的左边表达式用实部表示，将第二个约束近似表述为其模值，将第三个等式约束松弛为||x||2≤1，则得到新的优化模型为：≤1，则得到新的优化模型为：≤1，则得到新的优化模型为：||x||2≤1在给定x
l
的前提下，采...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新中，梁军，岳德武，雷世文，陈波，杨伟，田径，张波，
申请(专利权)人：深圳信息职业技术学院，
类型：发明
国别省市：