N阵元圆阵智能天线波束成形方法与流程

本发明涉及一种波束成形方法，尤其涉及一种N阵元圆阵智能天线波束成形方法。

背景技术：

智能天线指的是带有可以判定信号的空间信息(比如传播方向)和跟踪、定位信号源的智能算法，并且可以根据此信息，进行空域滤波的天线阵列。智能天线由三部分组成：实现信号空间采样的天线阵、对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络以及重新合并权值的控制部分；天线阵列多采用阵元间距为0.5λ的均匀线阵或均匀圆阵，然而，天线阵阵元之间存在的电磁互耦不但对天线阵的增益、波束宽度等电参数有一定影响，而且会改变阵列接收信号的幅度和相位。随着阵元间距的减小，互耦效应越来越强烈，从而大大降低了天线阵的性能，现有技术中，对于波束成形方法主要是进行互耦补偿或校正，这些方法存在补偿完全以及校正不彻底，而且现有方法对于适用环境要求高，局限性大。

因此，为了解决上述技术问题，需要提出一种新的N阵元圆阵天线智能天线波束成形方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种N阵元圆阵天线智能天线波束成形方法，能够有效地抑制圆阵天线阵列的阵元之间的耦合，从而降低阵元之间耦合对波束成形的影响，而且在计算过程中不再考虑耦合因素，从而有效降低波束成形算法的复杂度，提升天线阵的性能，而且适应性强。

本发明提供的一种基于N阵元圆阵智能天线波束成形方法，包括

在天线阵列与波束成形网络之间设置模式去耦网络，且天线阵列与模式去耦网络组成去耦天线阵列；

获取去耦天线阵列的散射矩阵S_n，计算波束成形的方向图权值向量W，该方向图权值向量W作为激励信号激励天线阵列的阵元产生相应的波束方向图。

进一步，通过如下方法进行天线阵列的去耦匹配：

S1.构建设置模式去耦网络之前的天线阵列的散射矩阵S₀，其中散射矩阵S₀为N×N矩阵，并计算散射矩阵S₀的特征向量V1，…，VN，其中，V1＝[V₁₁…V_1N],…,VN＝[V_N1…V_NN]；

S2.根据散射矩阵S₀构建模式去耦网络的散射矩阵S₁：

其中，S₁是2N×2N矩阵，且V1,…,VN彼此相互正交；

S3.根据步骤S3和S4得出去耦天线阵列的散射矩阵S_n:

其中：去耦天线阵列的散射矩阵S_n的对角线上的元素a₁,…,a_N为散射矩阵S₀的特征值，其中

进一步，通过如下方法计算方向图权值向量W：

A1.以递归最小二乘法对原天线阵列进行波束成形计算，获取在目标信号空间方向上形成波束的方向图权值向量W1；

A2.按照如下公式计算去耦天线阵列的方向图权值向量W：W＝W1×V,其中，

进一步，所述N阵元圆阵智能天线的阵元均匀布置。

本发明的有益效果：本发明的N阵元圆阵智能天线波束成形方法，能够有效地抑制圆阵天线阵列的阵元之间的耦合，从而降低阵元之间耦合对波束成形的影响，而且在计算过程中不在考虑耦合因素，从而有效降低波束成形算法的复杂度，提升天线阵的性能，而且适应性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的原理图。

图2为本发明的天线阵示意图。

图3为本发明的模式去耦网络结构示意图。

图4为本发明的在phi平面的波束模拟仿真图。

图5为本发明的在theta平面的波束模拟仿真图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行进一步的阐述：

如图1所示，本发明提供的一种基于N阵元圆阵智能天线波束成形方法，尤其是适用于紧凑型N阵元圆阵天线阵列，该方法具体包括:

在天线阵列与波束成形网络之间设置模式去耦网络，且天线阵列与模式去耦网络组成去耦天线阵列；

获取去耦天线阵列的散射矩阵S_n，计算波束成形的方向图权值向量W，该方向图权值向量W作为激励信号激励天线阵列的阵元产生相应的波束方向图，通过上述方法，能够有效地抑制圆阵天线阵列的阵元之间的耦合，从而降低阵元之间耦合对波束成形的影响，而且在计算过程中不再考虑耦合因素，从而有效降低波束成形算法的复杂度，提升天线阵的性能，而且适应性强，其中，所述N阵元圆阵智能天线的阵元均匀布置，如图2所示，图2中以4个阵元为例。

本实施例中，通过如下方法进行天线阵列的去耦匹配：

S1.构建设置模式去耦网络之前的天线阵列的散射矩阵S₀，其中散射矩阵S₀为N×N矩阵，并计算散射矩阵S₀的特征向量V1，…，VN，其中，V1＝[V₁₁…V_1N],…,VN＝[V_N1…V_NN]；其中，散射矩阵S₀根据天线阵参数、目标信号空间信息进行构建；

S2.根据散射矩阵S₀构建模式去耦网络的散射矩阵S₁：

其中，S₁是2N×2N矩阵，且V1,…,VN彼此相互正交；

S3.根据步骤S3和S4得出去耦天线阵列的散射矩阵S_n:

其中：去耦天线阵列的散射矩阵S_n的对角线上的元素a₁,…,a_N为散射矩阵S₀的特征值，其中通过上述方法，矩阵S_n对角线之外的元素均为0，去耦天线阵的阵元之间是相互隔离的，互耦效应被消除；矩阵S_n中对角线上的元素可以由常规的匹配网络进行匹配，这时，如果单独激励新天线阵中每个阵元而其它阵元与匹配负载相连接，则所生成的辐射方向图是相互正交的特征模式辐射方向图，特征模式方向图的个数与天线阵阵元的个数相同。

本实施例中，通过如下方法计算方向图权值向量W：

A1.以递归最小二乘法对原天线阵列进行波束成形计算，获取在目标信号空间方向上形成波束的方向图权值向量W1；其中，在本步骤中，还包括通过天线阵获取目标信号的空间位置信息，然后将该信息通过模数转换处理形成数字信号，然后输入到波束成形网络中进行计算，其中，该空间位置信息包括信号的空间角度信息，即俯仰角theta和方位角phi。

A2.按照如下公式计算去耦天线阵列的方向图权值向量W：W＝W1×V,其中，

通过上述方法，无需在算法中考虑天线阵元之间的互耦问题，从而大大降低了波束成形算法的复杂度，并提高波束成形的精确度。

以下通过具体实施例进行进一步说明：

如图2所示，天线阵选用4个单极子天线组成的均匀圆阵，谐振频率为2.4GHz，单极子阵元的长度为30mm，阵元间的距离为d＝25mm(0.2λ)；模式去耦网络的散射阵列S₁为：

本实施例中，模式去耦网络有正交混合网络和移相器组成，具体原理如图3所示，其中，端口1、2、3、4为输入端口，端口1'、2'、3'、4'为输出端口并与天线阵的四个阵元分别连接。去耦网络的输入端口1、2、3、4经过匹配后将作为新的天线阵端口，而去耦网络的输出端口1'、2'、3'、4'的输出信号将用来分别激励四个天线阵元。

当天线阵获得目标的空间位置信息时，智能天线系统通过模数转换和数字信号处理器将获得的目标空间位置信息转换为算法识别的输入信息，然后使用递归最小二乘算法(RLS)对常规的四阵元均匀圆阵天线阵进行波束成形运算，计算出所需方向图的权值向量W1，则加载了去耦匹配网络的新天线阵的方向图权值向量W为：

其中，最后，将方向图权值向量W作为激励信号激励天线阵元工作。

本实例中，目标信号空间角度设置为thetaS＝40°，phs＝70°；从图4、图5可以看出在thata＝40°，ph＝70°，|AF|值达到了最大，形成了所需的波束。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。