本发明涉及电磁波技术,特别涉及阵列波束赋形技术。
背景技术:
阵列天线以其灵活的波束扫描能力被广泛应用于诸如雷达、通信、导航、遥感等涉及国计民生的诸多领域。为了在不同方位上进行信号的发射或接收,通常要求阵列天线具有宽角度的扫描能力。为了实现这一功能,业界提出了辐射方向图可重构天线,它是一种保持天线频率和极化特性不变时,能够对辐射方向图进行重构的天线。由于天线辐射结构上的电流分布直接决定了天线辐射方向图的特性,选择所需要的各种电流分布,以及在它们之间切换的方法可以更改方向图模式(beampatternmode)。算法实现上,基于具体的硬件单元,通过对阵列进行不同权系数的优化设计,实现具体的波束指向或赋形。目前,阵元的不同方向图模式选择还主要靠经验完成,通常所有单元都选择同一个方向图模式,并没有较好的方向图模式优化选择方法来辅助进行方向图的优化。
技术实现要素:
本发明所要解决的技术问题是,提供能根据阵列波束不同的指向需求,实现单元方向图模式的自适应选择的阵列波束赋形方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是,一种基于方向图重构单元的阵列波束赋形方法,包括步骤:
1)初始化:
1-1)确定阵列天线中的阵元数n、方向图模式数量k、主瓣纹波预设值ε、期望波形fd(θ)、主瓣角度θml和副瓣角度θsl;
1-2)初始化最优方向图模式组合popt={ni,1e1,…,ni,ken}、副瓣电平值上限值ηmin、阵列权系数wopt与迭代变量i=0,设置迭代上限值υ,en表示第n个阵元对应的方向图模式对应的电场强度,ni,k表示第i次迭代的第k个阵元,
2)迭代步骤,通过遍历υ种不同的方向图组合模式来寻找最优方向图模式组合popt和对应的最优阵列权系数wopt:
2-1)判断迭代变量是否满足i≤υ,如是执行步骤2-2),否则,执行步骤2-5);
2-2)按照第i次迭代对应的方向图组合pi={ni,1e1,…,ni,ken}随机选择各方向图模式对应的具体阵元位置;
2-3)通过求解以下凸优化问题,得到第i次迭代得到的最小副瓣电平ηi和对应的阵列权系数wi:
其中,minimize表示求以wi为自变量的ηi的最小值,s.t.表示约束条件,ea(θ)示n个阵列对应的方向图构成的阵列综合矩阵,θ为方向角;
2-4)判断第i次迭代得到的最小副瓣电平是否满足ηmin>ηi,如是,使用第i次迭代得到的最小副瓣电平ηi更新副瓣电平值上限值ηmin,ηmin=ηi,并使用第i次迭代对应的方向图组合pi和对应的阵列权系数wi分别更新最优方向图模式组合popt和对应的最优阵列权系数wopt,popt=pi,wopt=wi,然后更新迭代变量i=i+1后返回步骤2-2),否则,直接更新迭代变量i=i+1后返回步骤2-2);
2-5)输出当前的最优方向图模式组合popt和对应的最优阵列权系数wopt。
本发明的有益效果是,通过对阵列单元方向图的优化选择,实现了单元方向图与不同阵列波束指向的自适应匹配,压低了阵列天线的副瓣电平,提高了阵列天线的增益。
附图说明
图1为2种方向图模式示意图;
图2为波束指向0°时,不同方向图模式的阵列波束赋形方案的效果比较示意图;,不同方法的比较,其中个方法的具体为:m1表示阵元采用固定方向图模式1、m2表示阵元采用固定方向图模式2、m3表示阵元采用随机方向图模式,即随机选择方向图模式1或方向图模式2、m4表示本发明设计的方法;
图3为波束指向25°时,不同方向图模式的阵列波束赋形方案的效果比较示意图;
图4为波束指向50°时,不同方向图模式的阵列波束赋形方案的效果比较示意图;
图5为波束指向75°时,不同方向图模式的阵列波束赋形方案的效果比较示意图。
具体实施方式
以线阵列天线为例,平面阵列天线的理论过程以此类推。假定天线具有任意分布特性的具有k个不同方向图模式的n个阵元(均匀的或非均匀均可),则阵列天线在接收信号时,阵列天线的合成电场强度可以描述为:
其中wn、an(θ)和en,k(θ)分别为第n的阵元因子的复权系数、阵因子以及第k个方向图模式对应的远场电场强度,方位角θ∈[0°,180°]。
对上式进行向量化处理,得到:
f(θ)=ea(θ)w(2)
其中,由n个阵元权系数组成的阵列权系数向量
为了进行单元方向图模式的优化选择,并进行阵列方向图优化,需要求解如下优化问题:
其中,ε和η分别描述了主瓣纹波和副瓣电平,θml和θsl分别描述了预先设定的主瓣角度和副瓣角度。fd(θ)为期望波形。直观而言,以上问题可以理解为,已知期望波形,在给的主瓣纹波ε的情况下,尽量压低副瓣对电平η。该问题是非凸问题,为了更好地进行问题求解,将其分解问两个子问题如下:
对问题(3)的求解可分解为对以上问题(4)和问题(5)的迭代求解。由于问题(4)具有凸结构,因此,可以通过现有的凸优化工具,如cvx进行快速求解。问题(5)中的待求解变量ea的解空间由离散值构成,因此具有非凸结构,常规方法难以对其求解,因此本发明设计了一种新方法对问题(5)进行快速求解。
通常,如果为了得到问题(5)的最优解,需要对ea的所有子空间进行搜索,即对每个阵元所对应的k个方向图模式,即{e1…ek},进行搜索。此类方法需要占用大量的内存资源,且耗时。即使对n=20个阵元和k=2种方向图模式的简单阵列,也需要对kn=220≈106种不同的组合进行验证。考虑到对任意方向图的组合,如{n1e1,…,nkek}且
本发明具体流程如下:
步骤1)初始化
确定阵列天线中的阵元数n、方向图模式数量k、主瓣纹波预设值ε=-10db、期望波形fd(θ)、主瓣角度θml和副瓣角度θsl;
初始化最优方向图模式组合popt={ni,1e1,…,ni,ken}=1n×1(所有单元都选择第1种方向图模式)、副瓣电平值上限值ηmin=1.1>1、阵列权系数
步骤2)迭代步骤:
2-1)判断迭代变量是否满足i≤υ,如是执行步骤2-2),否则,执行步骤2-5);
2-2)按照第i次迭代对应的方向图组合pi={ni,1e1,…,ni,ken}随机选择各方向图模式对应的具体阵元位置;所述方向图组合pi;
2-3)利用cvx工具求解问题(4)这个凸优化问题,得到第i次迭代得到的最小副瓣电平ηi和对应的阵列权系数wi:
其中,minimize表示求以wi为自变量的ηi的最小值,s.t.表示约束条件;
2-4)判断第i次迭代得到的最小副瓣电平是否满足ηmin>ηi,如是,使用第i次迭代得到的最小副瓣电平ηi更新副瓣电平值上限值ηmin,ηmin=ηi,并使用第i次迭代对应的方向图组合pi和对应的阵列权系数wi分别更新最优方向图模式组合popt和对应的最优阵列权系数wopt,popt=pi,wopt=wi,然后更新迭代变量i=i+1后返回步骤2-2),否则,直接更新迭代变量i=i+1后返回步骤2-2);
2-5)输出当前的最优方向图模式组合popt和对应的最优阵列权系数wopt。
实验验证
采用如图1所示两种方向图模式的单元构建32阵元的阵列天线来对本设计提出的方法进行验证。两种模式分别为圆锥模式conicalmode、宽波束模式broadsidemode。
图2、图3、图4和图5分别显示了波束指向为0°,25°,50°和75°时,不同方法的比较,其中:
m1:阵元采用固定方向图模式1;
m2:阵元采用固定方向图模式2;
m3:阵元采用随机方向图模式,即随机选择方向图模式1或方向图模式2;
m4:本发明方法。
仿真结果显示,本发明方法在不同波束指向情况下,始终具有最低的副瓣电平,证明了本发明方法在进行方向图模式选择时的有效性。