一种最小化主副瓣间距的阵列天线赋形波束方法技术

本发明专利技术提供通过一种最小化主副瓣间距的阵列天线赋形波束方法，针对优化过渡带区域宽度的问题，本发明专利技术采用了直接将过渡带的宽度作为松弛约束对象，通过在松弛区域引入一个松弛向量和一个惩罚向量，并利用惩罚向量改造目标函数，从而得到一个凸的、松弛优化的赋形波束问题；然后用现有方法获得一个参考赋形波束；最后用迭代方法不断缩小过渡带宽度，同时实现低副瓣和窄主瓣纹波的赋形波束。低副瓣和窄主瓣纹波的赋形波束。低副瓣和窄主瓣纹波的赋形波束。

【技术实现步骤摘要】
一种最小化主副瓣间距的阵列天线赋形波束方法


[0001]本专利技术涉及阵列天线的波束赋形技术，特别涉及最小化主副瓣间距的阵列天线赋形波束方法。

技术介绍

[0002]阵列天线有着良好的波束赋形能力，如笔形波束PBP(Pencil Beam Pattern)和赋形波束方向图SBP(Shaped
‑
Beam Pattern)，因而在通信、雷达、遥感等领域有着广泛的应用。一个典型的SBP应用场景就是移动平台接收卫星信号。一般而言，SBP有如下要求：为了减小信号在接收过程中衰减，要有较窄的主瓣纹波MRL(Mainlobe Ripple Level)，同时为了对抗外界环境的噪声和杂波干扰，需要有低副瓣电平(Sidelobe Level)的特性。针对以上需求，现有的方法是优化阵列天线各阵元的激励合成具有特定形状的宽波束波形，这类方法通常被称为赋形波束合成方法SBPS(Shaped
‑
Beam Pattern Synthesis)。
[0003]现有方法在合成赋形波束时，需要根据经验在整个阵列综合区域内预先划分主瓣区域(Mainlobe)和副瓣区域(Sidelobe)。在此，从滤波器领域引入“过渡带(Transition Band)”的概念，将主瓣区域和副瓣区域之间的区域记作过渡带区域。
[0004]现有方法是通过前两个区域间接确定过渡带区域，即根据经验来设定过渡带的宽度，这样会导致过渡带区域的宽度不是最优的。
[0005]而不适当的过渡带设定会影响赋形波束性能，如为了实现窄纹波和低副瓣，设定较宽的过渡带，这样会导致能量从过渡带区域中泄露；较窄的过渡带区虽然能减少能量泄露，但是会导致难以实现窄主瓣纹波或者低副瓣。
[0006]考虑具有N个阵元的线性阵列天线，设其位置为(r
n
)，n＝1,
…
,N。阵列天线的电场强度描述为：
[0007][0008]其中ω
n
和a
n
(θ)分别为第n的阵元因子的激励、阵因子。E
n
表示第n的阵元因子的电场强度，θ表示方向，θ在之间变化，并把这个阵列综合方向变化区域记作Θ。
[0009]对上式进行向量化处理，可以得到：
[0010]E(θ)＝w
H
a(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0011]其中
[0012][0013]其中w为阵列天线的激励向量，a表示阵列天线的强度，为电磁波空间波数，
r
n
表示第n个阵元的位置，H表示矩阵的共轭转置。
[0014]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，a(θ)＝[a1(θ),
…
,a
N
(θ)]H
是只与阵因子有关的系数。
[0015]一种典型的求解SBPS问题的阵列激励的凸优化方法是求解以下优化问题：
[0016]min
w，η
η
[0017]s.t.max||w
H
a(θ
m
)2‑
d(θ
m
)|≤η,θ
m
∈Θ
ML
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0018]|w
H
a(θ
s
)|≤ρ,θ
s
∈Θ
SL
[0019]其中，η为待求的最大主瓣纹波电平，ρ为预设的副瓣电平。θ
m
和θ
s
分别表示主瓣方向和副瓣方向。Θ
ML
和Θ
SL
分别表示主瓣区域和副瓣区域，d为期望阵列主瓣波束的形状。在此将Θ
ML
和Θ
SL
之间的区域记作Θ
TB
。

技术实现思路

[0020]本专利技术要解决的技术问题是，通过优化得到最小的主副瓣间的过渡带宽度，从而完成阵列天线赋形波束的方法。
[0021]凸优化因为可以处理任意阵元构型、充分考虑阵元耦合等优点，而被广泛应用于阵列综合问题。另外通过将问题表示为凸问题形式，可以很容易通过内点优化工具求得最优解。面对非凸的阵列综合问题时，也可以通过引入松弛、近似、迭代等方法来将问题转换为凸问题形式。一般情况下，SBPS问题是非凸问题，本专利技术也需要将SBPS问题改造为一个凸问题。
[0022]本专利技术为解决上述技术所采用的技术方案是，一种最小化主副瓣间距的阵列天线赋形波束方法，包括以下步骤：
[0023]1)设置步骤：
[0024]1‑
1)设置参考激励w0、主瓣区域Θ
M
、副瓣区域Θ
S
、过渡带Θ
TB
、导向矢量a(θ)、副瓣电平最大值ρ和阵列天线的激励w形成的主瓣纹波和参考激励w0成的主瓣纹波之间的差距值δ，θ表示方向；
[0025]1‑
2)对设置的过渡带Θ
TB
进行离散化处理得到过渡带Θ
TB
的长度L；
[0026]1‑
3)根据长度L来计算矩阵F：
[0027][0028]其中，元素变量变量
[0029]1‑
4)计算惩罚向量v，惩罚向量v为L维，l为1至L的变量，v中第l位元素表示为：
[0030][0031]1‑
5)利用现有的求解SBPS问题的阵列激励的凸优化方法得到的激励来初始化参考向量w0；
[0032]2)迭代步骤：
[0033]2‑
1)设置松弛向量t在r次迭代中的t的长度为Len
r
(t)，设置Len0(t)＝L+1；再初始化迭代次数r＝1，Len1(t)＝L；
[0034]2‑
2)判断是否满足Len
r
‑1(t)＞Len
r
(t)，如是，则顺序执行步骤2
‑
3)至2
‑
6)，否则，执行3)输出步骤；
[0035]2‑
3)通过凸优化问题来获得当前迭代过程的阵列天线的激励w和松弛向量t：
[0036]min
w，t vt
[0037]s.t.|w
0H
a(θ
m
)a(θ
m
)
H
(w
‑
w0)|≤δ,(θ
m
)∈Θ
ML
[0038]w
H
a(θ
l
)|≤ρ+t
l
,(θ
l
)∈Θ
TB
[0039]t≥0
[0040]Ft≤0
[0041]w
H
a(θ
s
)|≤ρ,(θ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种最小化主副瓣间距的阵列天线赋形波束方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设置步骤：1
‑
1)设置参考激励w0、主瓣区域Θ
M
、副瓣区域Θ
S
、过渡带Θ
TB
、导向矢量a(θ)、副瓣电平最大值ρ和阵列天线的激励w形成的主瓣纹波和参考激励w0成的主瓣纹波之间的差距值δ，θ表示方向；1
‑
2)对设置的过渡带Θ
TB
进行离散化处理得到过渡带Θ
TB
的长度L；1
‑
3)根据长度L来计算矩阵F：其中，元素变量k1＝1,,变量k2＝1,,1
‑
4)计算惩罚向量v，惩罚向量v为L维，l为1至L的变量，v中第l位元素表示为：1
‑
5)利用现有的求解SBPS问题的阵列激励的凸优化方法得到的激励来初始化参考向量w0；2)迭代步骤：2
‑
1)设置松弛向量t在r次迭代中的t的长度为Len
r
(t)，设置Len0(t)＝L+1；再初始化迭代次数r＝1，Len1(t)＝L；2
‑
2)判断是否满足Len
r
‑1(t)＞Len
r
(t)，如是，则顺序执行步骤2
‑
3)至2
‑
6)，否则，执行3)输出步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷世文，章奥，陈丰恺，陈波，田径，胡皓全，杨伟，何子远，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：