一种相控阵天线波控算法的制作方法

本发明涉及相控阵天线技术领域，特别是指一种相控阵天线波控算法。

背景技术：

现代通信中，高速动载体姿态变化快，若使安装在载体上的卫星通信相控阵天线在大动态条件下能够实时不间断地跟踪卫星信号，则相控阵天线的波束需具备快速扫描能力。

由相控阵天线方向图函数可知，通过改变阵列天线中相邻天线单元之间的相位差，即可实现相控阵天线的波束扫描。现有技术中，改变相控阵天线单元之间相位差的方法有很多，如改变信号频率f，传输路径l以及传输速度v均可实现信号相移。通过改变信号频率的方法通常用于频率扫描阵列中，而通过改变传输路径或传输速度的方法是相扫天线普通采用的相移方法。

目前，卫星通信相控阵天线中常采用开关线式数字移相器来实现相移，因此，在已知波束指向角的条件下，如何快速解算出各个天线单元通道中数字移相器的相位控制码，是实现相控阵天线波束捷变功能的关键技术之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种相控阵天线波控算法，其能够快速解算出k位数字移相器的二进制移相码，运算过程简单，运算效率高。

基于上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种相控阵天线波控算法，其用于通过k位数字移相器对由m×n个天线单元均匀排布所构成的相控阵天线中的第(m,n)个天线单元进行相对于第(0,0)个天线单元的移相，包括以下步骤：

步骤1，以二进制方式分别计算行步进移相码α和列步进移相码β，其中，α和β满足如下关系：

式中：为光速的倒数，f为信号频率，dx为相控阵天线的x向间距，dy为相控阵天线的y向间距，θ和共同构成相控阵天线在球坐标系中的扫描角其中θ的取值范围为0°～90°，的取值范围为0°～360°；[]b表示以相应精度取括号内十进制数的无符号16位二进制形式表示码，其中，表示2^-34精度下的16位二进制有效数字，[f]b的十进制精度为1mhz，[dx]b和[dy]b的前5位为整数位、后11位为小数位，十进制精度为2^-11毫米；[]b补表示以相应精度取括号内十进制数的有符号16位二进制形式表示码的补码，其中，[sinθ]b补、和的第1位均为符号位，第2位均为整数位，后14位均为小数位；表示对括号内的各二进制码以字面量形式进行算术相乘，然后将得到的二进制数以二进制码看待，若的符号位为0，则对得到的二进制码取原码，若的符号位为1，则对得到的二进制码取补码；表示对括号内的各二进制码以字面量形式进行算术相乘，然后将得到的二进制数以二进制码看待，若的符号位为0，则对得到的二进制码取原码，若的符号位为1，则对得到的二进制码取补码；

步骤2，在考虑小数点位置的情况下将行步进移相码α和列步进移相码β视作二进制小数，分别按照四舍五入法截取行步进移相码α对应小数的小数点后k位α'以及列步进移相码β对应小数的小数点后k位β'；

步骤3，以二进制方式计算第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)个天线单元的二进制移相码φ'mn，其中φ'mn满足如下关系：

φ'mn＝[[m]b×[α']nv+[n]b×[β']nv]str，

其中，[]b表示对括号中的十进制整数取算术二进制形式，[]nv表示将括号内的二进制码视作二进制字面量，[]str表示将括号内的二进制字面量视作二进制码；

步骤4，从φ'mn的最低位开始向前取长度为k的二进制码片段φ”mn，以φ”mn作为第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)个天线单元的基于k位数字移相器的二进制相位控制码。

可选的，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，分别截取行步进移相码α对应小数和列步进移相码β对应小数的小数点后k+1位；

步骤2.2，分别判断行步进移相码α对应小数和列步进移相码β对应小数的小数点后第k+1位是否为1，若是则将第k+1位向前进位，否则将第k+1位直接舍去。

可选的，所述m≥2且n≥0，或者m≥0且n≥2。

可选的，所述m≥2且n≥2，所述相控阵天线为矩形阵列或三角形阵列。

从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：

本发明中的相位解算算法采用舍整取余的方法，只计算小数位，避免了大量的冗余计算，占用计算资源少，能在较短时间内解算出各天线单元的相位控制码，极大地提高了波束控制系统的动态性能，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。需要注意的是，这些附图可以给出也可以不给出一些在本专利文字部分已有描述且属于本领域普通技术人员公知常识的具体细节；并且，因为本领域的普通技术人员完全可以结合本专利已公开的文字内容和/或附图内容，在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，因此下面这些附图可以涵盖也可以不涵盖本专利文字部分所叙述的所有技术方案。此外，这些附图的具体内涵需要结合本专利的文字内容予以确定，当本专利的文字内容与这些附图中的某个明显结构不相符时，需要结合本领域的公知常识以及本专利其他部分的叙述来综合判断到底是本专利的文字部分存在笔误，还是附图中存在绘制错误。特别地，以下附图均为示例性质的图片，并非旨在暗示本专利的保护范围，本领域的普通技术人员通过参考本专利所公开的文字内容和/或附图内容，可以在不付出任何创造性劳动的情况下设计出更多的附图，这些新附图所代表的技术方案依然在本专利的保护范围之内。

图1是本发明实施例中的一种矩形栅格排布的平面相控阵天线的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员对本专利技术方案的理解，同时，为了使本专利的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，并使权利要求书的保护范围得到充分支持，下面以具体案例的形式对本专利的技术方案做出进一步的、更详细的说明。

一种相控阵天线波控算法，其用于通过k位数字移相器(现有技术中k≥2)对由m×n个天线单元均匀排布所构成的相控阵天线中的第(m,n)个天线单元进行相对于第(0,0)个天线单元的移相，包括以下步骤：

步骤1，以二进制方式分别计算行步进移相码α和列步进移相码β，其中，α和β满足如下关系：

式中：为光速的倒数，f为信号频率，dx为相控阵天线的x向间距，dy为相控阵天线的y向间距，θ和共同构成相控阵天线在球坐标系中的扫描角其中θ的取值范围为0°～90°，的取值范围为0°～360°；[]b表示以相应精度取括号内十进制数的无符号16位二进制形式表示码，其中，表示2^-34精度下的16位二进制有效数字(在2^-34精度下，的二进制形式为0.0000000000000000001101111110110010，其中，小数点后前18位都为零，有效数字为19～34位)，[f]b的十进制精度为1mhz、十进制取值范围为0～65535mhz，[dx]b和[dy]b的前5位为整数位、后11位为小数位，十进制精度为2^-11毫米、十进制取值范围为0～32毫米；[]b补表示以相应精度取括号内十进制数的有符号16位二进制形式表示码的补码，其中，[sinθ]b补、和的第1位均为符号位，第2位均为整数位，后14位均为小数位；表示对括号内的各二进制码以字面量形式进行算术相乘，然后将得到的二进制数以二进制码看待，若的符号位为0，则对得到的二进制码取原码，若的符号位为1，则对得到的二进制码取补码；表示对括号内的各二进制码以字面量形式进行算术相乘，然后将得到的二进制数以二进制码看待，若的符号位为0，则对得到的二进制码取原码，若的符号位为1，则对得到的二进制码取补码；

步骤2，在考虑小数点位置的情况下将行步进移相码α和列步进移相码β视作二进制小数(实际上，α和β的字面量分别是一个二进制小数的若干位有效数字，这两个二进制小数均有多个小数位，其中，引入34个小数位，[dx]b和[dy]b均引入11个小数位，[f]b引入0个小数位，[sinθ]b补、和均引入14个小数位)，分别按照四舍五入法截取行步进移相码α对应小数的小数点后k位α'以及列步进移相码β对应小数的小数点后k位β'；

步骤3，以二进制方式计算第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)个天线单元的二进制移相码φ'mn，其中φ'mn满足如下关系：

φ'mn＝[[m]b×[α']nv+[n]b×[β']nv]str，

其中，[]b表示对括号中的十进制整数取算术二进制形式(即对十进制数做二进制换算)，[]nv表示将括号内的二进制码视作二进制字面量，[]str表示将括号内的二进制字面量视作二进制码；

步骤4，从φ'mn的最低位开始向前取长度为k的二进制码片段φ”mn(所谓最低位是指将二进制码以二进制数看待时的最低位，即二进制码的最右侧一位)，以φ”mn作为第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)个天线单元的基于k位数字移相器的二进制相位控制码。

需要区分的是，所谓二进制码是指由0、1组成的字符串，原码、补码和反码均可看作是二进制码，而二进制数是指由0、1字符串所表征的二进制形式的字面量，如：二进制码“001100”所表征的字面量即为1100，转化成十进制数值就是12；反之，将二进制数1011(十进制值为11)视作二进制码就是字符串“1011”。一般来说，对于正数，原码/反码/补码所代表的十进制数与原码/反码/补码所表征的字面量在数值上是相等的，而对于负数则通常不等，例如，-9的原码为“10001001”，但若将“10001001”看作二进制字面量，则其值为2^7+2^3+1＝137，又例如，-9的补码为“11110111”，但若将“11110111”看作二进制字面量，则其换算成十进制的值为247。

可选的，所述步骤2具体包括：

步骤2.1，分别截取行步进移相码α对应小数和列步进移相码β对应小数的小数点后k+1位；

步骤2.2，分别判断行步进移相码α对应小数和列步进移相码β对应小数的小数点后第k+1位是否为1，若是则将第k+1位向前进位，否则将第k+1位直接舍去，由此得到小数点后k位码段。

可选的，所述m≥2且n≥0，或者m≥0且n≥2。

可选的，所述m≥2且n≥2，所述相控阵天线为矩形阵列(即直角系阵列)或三角形阵列(即仿射系阵列)。

作为一个更加具体的例子，以某k波段一维相控阵天线为例，其中心频率为20.4ghz(即20400mhz)，单元间距d为半波长7.3529mm，则

[f]b＝0100111110110000；(包含0位小数位)

[dx]b＝00111.01011010010；(其中小数点是为了直观而加，包含11位小数位)

(考虑有效数字左侧的小数位，共有34位小数位)

假设θ＝90°、则有三角函数sinθ＝1、(为简化计算，可以不考虑[sinθ]b补、和的字面量以及它们引入的小数位)，因此只需计算[f]b、[dx]b、三个参数的积。

若m＝1、n＝0，则只需计算：

0100111110110000×0011101011010010×1101111110110010＝

11111111111111000010011011101111111011000000

其中小数位数为0+11+34＝45位，即实际计算值为0.011111111111111000010011011101111111011000000，若采用6位移相器，则取小数点后7位，为0111111，第7位为1，则进位后为100000，与理论值一致。

若m＝2、n＝0，则该单元的二进制移相码为100000×10＝1000000，仍取最低的6位，则该单元的二进制相位控制码为000000，与理论值一致。

整个解算过程可以通过fpga实现，解算效率很高。

原理分析：

以矩形阵列为例，来对本发明的原理进行说明。图1为矩形栅格排布的平面相控阵天线，其单元按矩形栅格排布在xoy平面上，共有m×n个天线单元，其中沿x轴方向的间距为dx，沿y轴方向的间距为dy。若相控阵天线在球坐标系中的扫描角为时，则阵面上第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)个天线单元的移相值deg(m,n)为：

若波束控制系统采用k位数字移相器，则最小相移量为▽φmin＝2π/2^k，阵面上第(m,n)个天线单元相对于第(0,0)单元的移相码φ(m,n)为：

在此基础上，本发明进一步采用舍整取余的方法，只计算小数位，从而避免了大量的冗余计算，占用计算资源少，能在较短时间内解算出各天线单元的相位控制码，极大地提高了波束控制系统的动态性能，是对现有技术的一种重要改进。

需要理解的是，上述对于本专利具体实施方式的叙述仅仅是为了便于本领域普通技术人员理解本专利方案而列举的示例性描述，并非暗示本专利的保护范围仅仅被限制在这些个例中，本领域普通技术人员完全可以在对本专利技术方案做出充分理解的前提下，以不付出任何创造性劳动的形式，通过对本专利所列举的各个例采取组合技术特征、替换部分技术特征、加入更多技术特征等等方式，得到更多的具体实施方式，所有这些具体实施方式均在本专利权利要求书的涵盖范围之内，因此，这些新的具体实施方式也应在本专利的保护范围之内。

此外，出于简化叙述的目的，本专利也可能没有列举一些寻常的具体实施方案，这些方案是本领域普通技术人员在理解了本专利技术方案后能够自然而然想到的，显然，这些方案也应包含在本专利的保护范围之内。

出于简化叙述的目的，上述各具体实施方式对于技术细节的公开程度可能仅仅达到本领域技术人员可以自行决断的程度，即，对于上述具体实施方式没有公开的技术细节，本领域普通技术人员完全可以在不付出任何创造性劳动的情况下，在本专利技术方案的充分提示下，借助于教科书、工具书、论文、专利、音像制品等等已公开文献予以完成，或者，这些细节是在本领域普通技术人员的通常理解下，可以根据实际情况自行作出决定的内容。可见，即使不公开这些技术细节，也不会对本专利技术方案的公开充分性造成影响。

总之，在结合了本专利说明书对权利要求书保护范围的解释作用的基础上，任何落入本专利权利要求书涵盖范围的具体实施方案，均在本专利的保护范围之内。