一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法，包括如下步骤：1获取天线阵列中每个单元的有源单元场方向图以及增益信息；2根据期望的功率覆盖角度需求，建立优化模型，将天线阵列馈电复激励作为变量，不约束增益方向图的上边界，最大化功率覆盖角度内期望极化方向上增益的最小值；3将步骤2中求解出的复激励带入增益表达式，得到该天线阵列功率覆盖下的增益赋形方向图。本发明专利技术能够在任意天线阵列中实现在期望极化方向上功率覆盖，不约束上边界，让功率覆盖角度内增益尽可能大，达到宽波束高效率功率覆盖功能。达到宽波束高效率功率覆盖功能。达到宽波束高效率功率覆盖功能。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法


[0001]本专利技术涉及无线通信、波束赋形
，特别涉及一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法。

技术介绍

[0002]平顶波束是一种具有空间选择性的功率覆盖波束，可以将辐射能量集中于平顶区域，提升通信质量。在工程应用中，平顶波束由于其增益平坦、空间选择性好的辐射特性，在蜂窝通信的基站应用、机场近距离雷达网络中的区域目标检测、点对点的无线局域网通信等领域有着广泛的应用。但是，目前针对平顶波束赋形的综合方法，主要还是从功率方向图出发，在给定的上下边界约束下实现方向图的平顶波束赋形。但是实际的功率覆盖通信应用中，更注重得是增益的下边界尽可能高，并不注重其上边界约束，而且功率方向图赋形并不一定会让增益在功率覆盖范围内最高。综上所述，直接从增益方向图出发，最大化功率覆盖角度内期望极化方向上增益的最小值，具有非常强的现实意义和应用价值。现有技术中：
[0003]专利号CN201910672955.4(“一种宽波束发射波束形成优化设计方法”)提供了一种宽波束发射波束形成优化设计方法。该方法约束每个天线的最大发射功率，通过交替迭代方法得到的波束图在所要求的频率和角度覆盖范围内的最小增益更高，可以实现发射信号的宽波束高效覆盖。但是，该方法仅适用于均匀线阵或者均匀圆阵，不能适用于任意天线阵列。
[0004]专利号CN202110294197.4(“一种采用智能反射面辅助的宽覆盖波束设计方法”)提供了一种采用智能反射面辅助的宽覆盖波束设计方法。该方法使用基于黎曼流形的共轭梯度法得到智能反射面的最优相移，通过设置智能反射面的相移调节反射波束的方向图，实现波束扫描功能和宽覆盖通信。但是该方法对于功率覆盖范围内的增益最大化并没有讨论。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有的功率覆盖的波束赋形存在的上述缺点，提出一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法，该方法能够在任意天线阵列中满足在期望极化方向上功率覆盖，在功率覆盖角度内增益尽可能大，实现宽波束高效率功率覆盖。
[0006]本专利技术的一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1：获取天线阵列中每个单元的有源单元场方向图以及增益信息；
[0008]步骤1中的获取天线阵列中每个单元的有源单元场方向图以及增益信息具体为：对于一个N元的任意天线阵列，在全局坐标下获取每个单元的有源单元场方向图的θ分量E
nθ
,n＝1,
…
,N、φ分量E
nφ
,n＝1,
…
,N、增益的θ分量G
nθ
,n＝1,
…
,N以及增益的φ分量G
nφ
,n＝1,
…
,N。获取方法有多种，比如：全波仿真、单元代替(利用方向图乘积定理)、单元的旋转、微波暗室测量等等，具体可以视情况而定。
[0009]步骤2：根据期望的功率覆盖角度需求，建立优化模型，将天线阵列馈电复激励作为变量，不约束增益方向图的上边界，最大化功率覆盖角度内期望极化方向上增益的最小值；
[0010]步骤2中的根据期望的功率覆盖角度需求，建立优化模型，将天线阵列馈电复激励作为变量，不约束增益方向图的上边界，最大化功率覆盖角度内期望极化方向上增益的最小值，具体操作为：对于一个N元的任意天线阵列，馈入幅度为I
n
,n＝1,
…
,N、相位为α
n
,n＝1,
…
,N的激励，该阵列天线在期望极化上(θ,φ)处的增益可表达为(1.3)式：
[0011][0012]其中，其中，和是第n个单元在θ分量和φ分量的增益最大值，和是θ分量和φ分量归一化的场方向图。
[0013]利用(1.3)式建立优化模型，以馈电幅度I＝[I1,
…
,I
N
]T
和馈电相位Φ＝[α1,
…
,α
N
]T
为优化变量，不约束增益方向图的上边界，最大化功率覆盖角度内期望极化方向上增益的最小值，具体表述由(1.4)式给出：
[0014][0015]步骤3：将步骤2中求解出的复激励带入增益表达式，得到该天线阵列功率覆盖下的波束赋形方向图。
[0016]步骤3中的将步骤2中求解出的复激励带入增益表达式，得到该天线阵列功率覆盖下的波束赋形方向图，具体操作为：将步骤2求解得到的I
opt
和Φ
opt
带入(1.3)式，得到该天线阵列功率覆盖下的波束赋形方向图。
[0017]最终得到了任意阵列天线的功率覆盖的波束赋形方向图。
[0018]本专利技术的优点在于：
[0019]1.本专利技术直接从增益方向图出发，能够在任意天线阵列中实现在期望极化方向上功率覆盖，不约束上边界，让功率覆盖角度内增益尽可能大，达到宽波束高效率功率覆盖功能。
【附图说明】
[0020]图1是本专利技术的一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法的流程图；
[0021]图2是本专利技术的32元直线天线阵列的模型示意图；
[0022]图3是本专利技术32元直线天线阵列功率覆盖平顶波束方向图的计算数值结果和全波仿真结果对比图。
【具体实施方式】
[0023]现结合附图对本专利技术作进一步的描述。
[0024]如图1所示，本专利技术的一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法，包括以下步骤：
[0025]步骤1：获取天线阵列中每个单元的有源单元场方向图以及增益信息；
[0026]对于一个N元的任意天线阵列，在全局坐标下获取每个单元的有源单元场方向图的θ分量E
nθ
,n＝1,
…
,N、φ分量E
nφ
,n＝1,
…
,N、增益的θ分量G
nθ
,n＝1,
…
,N以及增益的φ分量G
nφ
,n＝1,
…
,N。获取方法有多种，比如：全波仿真、单元代替(利用方向图乘积定理)、单元的旋转、暗示测量等等，具体可以视情况而定。
[0027]步骤2：根据期望的功率覆盖角度需求，建立优化模型，将天线阵列馈电复激励作为变量，不约束增益方向图的上边界，最大化功率覆盖角度内期望极化方向上增益的最小值；
[0028]设置优化变量为馈电幅度I＝[I1,
…
,I
N
]T
和馈电相位Φ＝[α1,
…
,α
N
]T
，最大化功率覆盖角度内期望极化方向上增益的最小值，具体表述由(1.5)式给出：
[0029][0030]步骤3：将步骤2中求解出的复激励带入增益表达式，得到该天线阵列功率覆盖下的波束赋形方向图。
[0031]将步骤2求解得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：获取天线阵列中每个单元的有源单元场方向图以及增益信息；步骤2：根据期望的功率覆盖角度需求，建立优化模型，将天线阵列馈电复激励作为变量，不约束增益方向图的上边界，最大化功率覆盖角度内期望极化方向上增益的最小值；步骤3：将步骤2中求解出的复激励带入增益表达式，得到该天线阵列功率覆盖下的波束赋形方向图。2.如权利要求1所述的一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法，其特征在于，所述步骤1中的获取天线阵列中每个单元的有源单元场方向图以及增益信息，具体可表述为：(101)对于一个N元的任意天线阵列，在全局坐标下获取每个单元的有源单元场方向图的θ分量E
nθ
，n＝1，...，N、φ分量E
nφ
，n＝1，...，N、增益的θ分量G
nθ
，n＝1，...，N以及增益的φ分量G
nφ
，n＝1，...，N；(102)获取方法包括全波仿真、利用孤立单元及方向图乘积定理、单元的旋转或微波暗室测试。3.如权利要求1所述的一种适用于任意天线阵列功率覆盖的增益赋形设计方法，其特征在于，所述步骤2中根据期望的功率覆盖角度需求，建立优化模型，将天线阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘颜回，肖凡，吴攀，杨仕文，胡俊，聂在平，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：