一种相控阵天线波束赋形设计系统的制作方法

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种相控阵天线波束赋形设计系统。

背景技术：

随着，通信协议的发展，对通信系统的物理性能也提出了更高的要求。在通信系统中，为了让信道的能量更集中，信号强度(rsrp)更大，信干噪比(sinr)更高，通常采用方向性的天线作为传输手段。相控阵天线作为一种方向性天线，具有覆盖范围广，扫描速度快，抗干扰能力强，使用场景广泛等优点。相控阵天线又分有源和无源阵两种，相比于无源阵，有源阵的每一个阵元都含有单独的发射/接收组件(t/r组件)，虽然成本提高，但是适用性上比无源相控阵更具优势。有源阵通过电扫描的方式替代机械扫描，实现波束的电磁瓣转动，其关键在于对阵元中移相器的控制。而波束的波瓣控制，主要实现的是波瓣的3db宽度，以及主瓣旁瓣的差，其关键在于对阵元中衰减器的控制。

天线的方向图体现的是天线在各个方向角度上，接收或发射性能的指标，因此也是需要集中优化的对象。方向图中的最高点，其接收或发射的性能最高，功率最大，而方向图中的最低点，性能最低，功率最小。一般情况下，都会通过将方向图的最高点指向通信的对象，而低点指向干扰源所在的方向，从而使有用功率更高，通信质量更好。

为了通过对各个阵元衰减器的控制，改变波束形状，优化方向图，最大化天线增益，需要通过各种波束合成算法，对阵元的衰减器进行调整，实现各阵元输出的加权，从而完成波束赋形。选择合适的算法方案，不仅能起到增益提高的效果，而且有望对来自其他方向的干扰起到一定的抵抗。

现有技术中，常见的合成算法包括hamming，hanning，blackman，taylor，chebyshev，这些的特点是计算相对简单，但是取值也相对固定，无法适应多变的实际需求，为了得到特定需求的方向图，现有技术中还有采用以遗传算法的方式，粒子群算法等为主的智能搜索算法，其特点是功能强大，适应性高，但过程相对复杂。

例如中国专利申请号为cn201610921624.6中提出的迭代方法，实质是一种智能搜索算法，包括额外硬件设计，存在一定的部署成本。不能同时满足一般的相控阵天线在外场测试场景中灵活多变的测试需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是如何同时满足一般的相控阵天线在外场测试场景中灵活多变的测试需求，针对上述要解决的技术问题，现提出一种相控阵天线波束赋形设计系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种相控阵天线波束赋形设计系统，包括人机交互控件、显示界面、模式调用界面和性能评估界面，所述人机交互控件用于控制相控阵天线各阵元的衰减；所述显示界面，用于显示当前阵元输入状态下模拟的相控阵天线合成波束方向图；模式调用界面，显示各种设计方法下3db主瓣宽度和方向性精度；性能评估界面，用于对当前所有输入对应的合成波束方向图的主瓣3db波束宽度和方向性directivity进行计算并显示在界面上。

进一步的，所述人机交互控件包括与阵元的衰减器数量对应的滑动条控件。

进一步的，所述滑动条控件的滑动条的精度对应于实际相控阵天线衰减器的步进值。

进一步的，所述滑动条控件的滑动条的调节范围对应各阵元衰减器的实际范围。

进一步的，所述显示界面的波束方向图包括纵坐标和横坐标，所述纵坐标表示信号强度，所述横坐标表示辐射角度。

进一步的，所述人机交互控件的滑动条，均通过滑动的方式在其定义域内调整。

进一步的，所述人机交互控件的滑动条为一可微调滑动条，所述人机交互控件的滑动条上方设置有数值显示区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过采用可视化的波束设计方式，并且逐单元地以人机交互方式对相控阵波束设计调整，实现了对称方式展示阵元输入避免冗余，实现了动态展示设计过程中性能参数的变化，实现了较快的部署速度，通过显示界面提供了直观的效果反馈，并且部署成本较低，通过输入模块提供了易用的操作界面，通过性能评估界面提供了可靠的性能保证显示。

附图说明

图1为本发明中的系统工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1的系统工作流程图，本具体实施方式披露了一种相控阵天线波束赋形设计系统，包括人机交互控件、显示界面、模式调用界面和性能评估界面，所述人机交互控件用于控制相控阵天线各阵元的衰减；所述显示界面，用于显示当前阵元输入状态下模拟的相控阵天线合成波束方向图；模式调用界面，显示各种设计方法下3db主瓣宽度和方向性精度，两者可以反映出当前设计方法的性能优劣；性能评估界面，用于对当前所有输入对应的合成波束方向图的主瓣3db波束宽度和方向性directivity进行计算并显示在界面上。

可行的，所述人机交互控件包括与阵元的衰减器数量对应的滑动条控件。例如，n个滑动条控件对应n个阵元的衰减器，滑动条的精度对应于实际相控阵天线衰减器的步进值，滑动条的调节范围对应各阵元衰减器的实际范围。通过对所有阵元衰减器进行调整赋值，模拟实际天线的工作状态。

具体的，在进行计算机程序实现时，所述显示界面的波束方向图包括纵坐标和横坐标，所述纵坐标表示信号强度，所述横坐标表示辐射角度。其中，方向图的纵坐标表示信号强度，单位为db，横坐标为辐射角度(0-180度，其中90度作为天线的法线方向)。

可行的，所述人机交互控件的滑动条，均通过滑动的方式在其定义域内调整。滑动条的具体设计属于软件设计中的常规技术手段，且不涉及解决技术问题的主要技术手段，在本发明中不做过多赘述。作为优选的，所述人机交互控件的滑动条为一可微调滑动条，所述人机交互控件的滑动条上方设置有数值显示区域。在滑动调整后，如果滑块的位置没有恰巧落在预期的位置上，可以点击滑动条两端的按钮，以实际衰减器的步进为单位，对滑块进行微调，使滑块落在预期的点位。滑块对应的数值全程实时显示在滑动条的顶端，以方便查看。

在本具体实施例所涉及的软件中，显示界面的合成方向图需要配合滑动条的滑动过程实时更新方向图，从而体现出衰减变更对于方向图的实时影响。显示界面的纵坐标对应的方向图幅度，以0db作为最大值。另外由于理论的方向图存在深零点，最低值和最大值相差较大且最低值对应整体方向图评价的意义不大，所以方向图仅显示-70db到0db的范围，以便于查看。

模式调用界面则可以采用一个多态按钮的形式，包含taylor，chebyshev，hamming，hanning，blackman，矩形窗，三角窗等常见的算法函数，在对其进行选择后根据对应的算法，直接作用于所有滑动条到达对应点位，同时更新此时的实时方向图。

此外，还可以设置模拟的方向图的目标指向，可以对应法线方向两边各90度，共180度范围。集中的指向即为方向图最高点对应的方向。从界面直接查看不同角度指向时的方向图。

可行的，在本具体实施例中，利用上述软件进行相控阵天线波束赋形设计的过程可以如下：

首先，确定所使用的实际相控阵天线的各项指标，包括阵元个数，阵元间距，衰减器单位衰减量以及衰减器总衰减量；

1、将以上参数对应到上述波束赋形设计系统；

2、选择各种预设的波束合成算法，并应用于方向图；

3、观察方向图的外形和指标参数，根据实际情况挑选需要的合成算法；

4、对于各个阵元衰减器，可以手动进行微调，以操作合成的方向图的旁瓣位置和深零点的位置，尝试各个阵元调整的情况，并选择其中对于性能指标影响最小的方案；

5、记录当前软件控制界面各个衰减器的值；

6、将得到的衰减值应用于实际相控阵天线。

可行的，在本具体实施例中，所用的相控阵天线的阵元默认为理想全向天线，即方向性系数为1，表现为各向同性，因此若需要对于实际天线的非全向阵元，需要对合成后的方向图进行再一次的加权，所需使用的加权系数来自单个阵元归一化的实际方向图；

具体的，以间隔为d，阵元数为n，工作波长为λ的均匀线阵相控阵天线为例，其合成波束方向图的计算方式为(1)式所示，

其中，ak为其中一个阵元衰减器对应的加权系数；

选择好需要的波束合成算法后，得到该算法对应的加权矢量

如果以泰勒算法为例，那么选取泰勒算法后，得到的加权矢量应该是关于阵元位置n，泰勒旁瓣抑制参数a，泰勒修正参数的函数，

其中zm为泰勒方向图零点，计算方法为，

对于db为单位的步进衰减器，需要对加权系数进行换算；

其中，衰减器的取值向量为(4)式所示，

其中，

由此得到的即为控制相控阵天线所需的输入向量；

由于本实例中所用的均匀线性阵列，阵元分布左右对称，阵元所需的输入也默认为对称输入，故本发明中的相控阵天线波束赋形软件可以仅显示和操作其中一半的阵元，另外一半的输入情况默认为对称相等。

本发明通过采用可视化的波束设计方式，并且逐单元地以人机交互方式对相控阵波束设计调整，实现了对称方式展示阵元输入避免冗余，实现了动态展示设计过程中性能参数的变化，实现了较快的部署速度，通过显示界面提供了直观的效果反馈，并且部署成本较低，通过输入模块提供了易用的操作界面，通过性能评估界面提供了可靠的性能保证显示。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。