一种适用于多阵元斜面阵天线的自适应阵元选择方法与流程

本发明涉及卫星通信领域，特别涉及一种适用于多阵元斜面阵天线的自适应阵元选择方法。
背景技术：
：在卫星通信领域，为满足高增益、高灵敏度、可靠动中通的应用需求，需要将天线实时指向卫星方向，通常采用伺服电机和相控阵的方式。伺服电机实现简单，使用灵活，但尺寸较大很难满足小型化的需求。相控阵采用数字或模拟波束指向技术，在数字领域形成具有较大增益的波束增强信号。相控阵可通过布阵设计减小尺寸，且波束指向速度快，适合更多的应用场合。在一些特殊应用场合，需要保障低仰角信号的灵敏度，一般的平面相控阵由于阵子在低仰角本身的性能缺陷，无法形成准确的指向和较高的增益，导致低仰角性能恶化。为解决平面阵低仰角性能差的问题，除了增大尺寸、增加阵子数量外，还可以采用斜面阵的方式保障。采用斜面阵，可在原来的阵元面积上，将平面阵改成立体阵，将阵子按照一定角度倾斜化安装，将阵子法向偏离天顶，利用阵子在法向增益较高的特点，将原来平面的低仰角通过阵子倾斜变为高仰角，从而提升低仰角性能。要形成精确的数字波束指向，需先通过校准生成方向矢量，然后根据卫星实际方向，生成相应的波束指向信号。现有技术的缺点在于，一般采用所有阵子或只采用几个阵子参与波束指向，因此对高仰角和低仰角的指向增益及指向精确度无法达到最优。由于阵子的倾斜化设计，势必导致部分阵子朝向卫星信号，部分阵子受到立体化由于阵子的倾斜化设计，势必导致部分阵子朝向卫星信号，部分阵子受到立体化天线自身的遮挡背向卫星信号。在高仰角时，如果只采用几个阵子，则波束指向总增益不如采用所有阵子，导致灵敏度降低；在低仰角时，如果采用所有阵子，受背面阵子被遮挡以及低仰角阵子本身性能恶化的因素影响，波束指向增益反而不如只采用朝向信号方向的几个阵子，也会导致波束指向不准和灵敏度降低的情况。现有技术在高仰角、低仰角的灵敏度上，难以达到最优。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种适用于多阵元斜面阵天线的自适应阵元选择方法，本发明针对数字相控阵，利用数字波束指向技术，将多个阵子的相位在数字领域进行叠加，产生指向卫星方向的波束增强信号,可广泛应用于各种多阵元斜面阵天线，用于实现波束指向技术，如卫星导航多阵元天线和卫星通信多阵元天线，本发明克服了现有技术存在的高低仰角波束指向不准、难以获得最大增益的缺陷。本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种适用于多阵元斜面阵天线的自适应阵元选择方法，包括以下步骤：s1、生成方向矢量查找表：(1)将天线放在微波暗室的转台中心；(2)设置远场信号源，发射校准信号，俯仰0°～90°可调；(3)转台方位角0°～360°可调；(4)设定俯仰角和方位角，发射远场信号；(5)采集各通道数据；(6)计算n个阵元所有通道的相位差，根据相位差得到方向矢量，并跟各通道输入信号进行加权，生成波束指向信号，计算波束指向信号最大功率值g1；(7)根据天线参数选取朝向卫星信号方向的不同阵子的通道组合，计算相位差，得到不同组合下的方向矢量，并同各种通道组合下的输入信号进行加权，生成指向信号，计算出多种不同组合波束指向信号下的功率值g2～gm，其中m为采用的阵元数，1≤m≤n，n是天线总阵元数；(8)对比g1、g2、g3、…、gm数值大小，选出最大值；(9)将最大值对应的几个阵子的方向矢量写入查找表；(10)未采用的阵子，赋值为零；(11)俯仰角和方位角按一定步进值，遍历所有空间角度；(12)形成最终的方向矢量查找表；s2、形成波束指向方法如下：(1)接收外部输入的卫星方向角度值，包括俯仰角和方位角；(2)根据角度值调用查找表，获取相应的方向矢量；(3)方向矢量与各通路输入信号进行加权；(4)生成指向卫星的波束指向信号。步骤s1的分步骤(7)中，所述天线参数包括阵元数、阵列流型、斜面阵倾斜角。步骤s1的分步骤(7)中，所述阵元数m能够根据经验值设定。所述步骤s1的分步骤(7)，选取与卫星信号夹角小于90°的阵子参与组合。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明综合考虑了高仰角和低仰角在不同空间角度下的性能差异，选取最优的阵子组合，提升波束指向精度和指向增益，从而提升信号灵敏度。因斜面阵为立体架构，必然存在部分阵子处在立体阵背面，这些阵子信号受到天线自身的遮挡，且阵子在低仰角情况下的性能本来较差，当信号从低仰角入射，这些背面的阵子如果参与波束指向加权，反而会导致最终合成的波束指向不准，以及波束指向增益降低。本发明通过针对不同的俯仰角和方向角，不局限使用全部阵子或某几个阵子，而根据实际天线在不同空间角度下不同阵子组合表现出来的性能差异，采用最优的阵子组合，在各种空间角度下，优化波束指向精度和增益，保障斜面阵在各种平台和使用环境下的应用。附图说明图1为八阵元斜面阵方位角与阵子分布图。图2为方向矢量生成流程图。图3为波束指向信号生成流程图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。如图1、2、3，一种适用于多阵元斜面阵天线的自适应阵元选择方法，针对不同的俯仰角和方位角，选择不同的阵子组合参与波束指向，有效提升斜面阵的波束指向性能。当卫星信号在空间某一角度入射时，朝向卫星信号方向的阵子只取决于方位角，跟俯仰角无关，故对于阵子选择，可只考虑方位角，不考虑俯仰角。同时，由于高仰角下，所有阵子参与波束指向会比只选取几个阵子获得更优的指向精度和指向增益，故只考虑低仰角下的阵子选择情况。以8阵元天线为例(采用8阵元，只作为示例，并不局限于8阵元)，如图1所示。如图1所示，1～8为天线阵子，最外围数字为方位角，范围0°～360°。图1中8123，…，7812等，数字为选择的四个阵子的编号(此处为便于描述，只选取了三个和四个的组合，但不代表只能采用这两种组合)，包含数字的三角型区域表示覆盖的角度范围。8个阵子均匀分布，两个天线间夹角为45°，正面朝向卫星来向(假定所选阵子中心点与信号来向夹角小于90°)的阵子为三个或四个，若卫星信号在某一阵子中心区域入射，则采用该阵子以及左右各两个阵子作为波束指向参与阵子，若卫星信号在某两个阵子中间区域入射，则采用这两个阵子以及边上的两个阵子，共四个阵子作为波束指向参与的阵子。按图1所示，说明如下：(1)卫星信号在0°方向附近(非三角形区域)入射，采用812三个阵子；(2)卫星信号在22.5°方向附近(三角形区域)入射，采用8123四个阵子。采用三个阵子或四个阵子的具体角度范围(方位角)，可根据经验或实际测试结果设置。以8阵元为例，按附件图1所示，假设采用四个阵子的卫星信号入射的范围角度设为10°，采用三个阵子的卫星信号入射的范围角度为33°，则方位角范围分布以及对应的采用的阵子编号如表1所示。表1方位角范围与采用阵子对应表方位角范围采用的阵子编号角度范围344°～17°81233°18°～28°812310°29°～62°12333°63°～73°123410°74°～107°23433°108°～118°234510°119°～152°34533°153°～163°345610°164°～197°45633°198°～208°456710°209°～242°56733°243°～253°567810°254°～287°67833°288°～298°678110°299°～332°78133°333°～343°781210°在实际使用中，需根据天线实际情况，决定采用几个阵子的组合，以及不同阵子组合覆盖的卫星信号入射角度范围，阵子组合的方式和角度范围根据每个天线的实际测试结果确定。因不同天线的阵元数、倾斜角、阵子不圆度等关键参数皆不同，故本方案只给出了以8阵元天线为例的参考值，不给出明确值。本发明的方法实现流程图如附图2、图3所示，下面以8阵元天线为例对生成方向矢量方法和形成波束指向方法进行详细介绍。本发明生成方向矢量方法如下：(1)将天线放在微波暗室的转台中心；(2)设置远场信号源，发射校准信号，俯仰0°～90°可调；(3)转台方位角0°～360°可调；(4)设定俯仰角和方位角，发射远场信号；(5)采集经相位一致性调整后的各通道数据；(6)计算8通道的相位差，根据相位差得到方向矢量，并跟各通道输入信号进行加权，生成波束指向信号，计算波束指向信号最大功率值g1；(7)计算朝向该方位角的3个阵子的相位差，根据相位差得到方向矢量，并跟3个阵子对应通道的输入信号进行加权，生成波束指向信号，计算波束指向信号最大功率值g2；(8)计算朝向该方位角的4个阵子的相位差，根据相位差得到方向矢量，并跟4个阵子对应通道的输入信号进行加权，生成波束指向信号，计算波束指向信号最大功率值g3；(9)计算朝向该方位角的n(1≤n≤8)个阵子的相位差，根据相位差得到方向矢量，并跟n个阵子对应通道的输入信号进行加权，生成波束指向信号，计算波束指向信号最大功率值gn；(10)对比g1、g2、g3、…、gn数值，选出最大值；(11)将最大值对应的几个阵子的方向矢量写入查找表；(12)未采用的阵子，赋值为零；(13)俯仰角和方位角按一定步进值，遍历所有空间角度；(14)形成最终的方向矢量查找表。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12