一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法技术

本发明专利技术公开了一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法。该方法基于自适应原理，设定天线方向图主瓣方向和主旁瓣抑制比(主瓣增益和最大旁瓣增益的比值)，开展二维单一波束的控制形成，获得天线阵列复数权重因子；同理形成其他方向二维波束，采用复数域的权重因子叠加获得二维多波束。在二维波束控制基础上，通过波束的E/H面分解和旋转，开展三维波束的控制，获得天线阵列复数权重因子并最终形成多个三维波束，且具有较好的主旁瓣抑制比。本发明专利技术可以快速控制形成多种形式的波束天线方向图，对任意排列的平面阵列适用，可开展动态波束控制的空间扫描。

【技术实现步骤摘要】
一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法
本专利技术涉及微波电磁场技术中的天线
，尤其涉及一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与三维多波束形成方法。
技术介绍
天线阵列已经广泛应用在5G通信、车载智能驾驶、目标识别等领域。天线阵列可以显著提高天线总体增益，使得探测距离显著提升；同时，合理设置天线阵列的激励幅度和相位，可以获得多个天线波瓣，从而实现天线对多目标的探测识别；另外，通过不同时刻施加不同天线阵列幅度和相位激励，可以完成天线阵列波束在空间的扫描，而不必通过改变天线阵列位置来完成空间扫描。在5G通信、车载智能驾驶、目标识别等领域，天线方向图的主瓣和旁瓣增益直接影响整个系统的信噪比、信号传输误码率等，因此在天线阵列设计过程中，除了关注主瓣增益外，主瓣和旁瓣的增益差值也是一个重要的设计参数。同时，现代通信领域面临在同一个区域多终端用户存在，因此天线阵列多波束指向不同用户具有实际应用需求。对天线方向图而言，主旁瓣抑制比(主瓣增益和最大旁瓣增益比值)，以及天线阵列多波束控制形成，是天线阵列设计的重要内容，对于5G通信、车载智能驾驶、目标识别等技术的提升具有显著意义。
技术实现思路
本专利技术针对现代通信领域传输高信噪比、面向多终端的需求，提出天线阵列旁瓣增益抑制方法和二、三维多波束形成方法，提高了天线阵列主瓣和旁瓣增益的差值，形成了满足主旁瓣抑制比的天线多波束，准确控制了天线阵列的三维方向图，并可完成天线多波束的空间扫描。该方向可对任意二维天线阵列开展三维方向图设计与控制。为了达到上述目的，本专利技术提供一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，包含以下步骤：步骤一：对于一定数量L任意排列的天线阵列，在极坐标下，设定天线方向图扫描角度范围、主旁瓣抑制比以及主瓣方向角度，迭代获得满足主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子；其中，迭代的方法具体为：基于自适应原理，保持主瓣方向不变，以主旁瓣抑制比为目标，不断迭代计算天线方向图，直至获得的天线方向图中主瓣和所有旁瓣的主旁瓣抑制比满足设定值，获得的天线方向图中对应的天线阵列复数权重因子即为满足主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子。其中，迭代时，采用最小误差法保证相邻两次迭代的天线方向图中除对应的最大旁瓣对应点之外的所有点之间差异最小。步骤二：按照空间扫描角范围与时间对应顺序，依次按照步骤一方法迭代获得一组时间相关的天线阵列复数权重因子序列，将天线阵列复数权重因子序列输入到天线阵列中作为激励，形成不同时刻不同的天线波束角度，实现波束空间扫描。进一步地，通过设定天线阵列排布、天线方向图扫描角度范围和主瓣方向角度实现多种波束的形成，包括：二维单一波束：天线阵列为线阵，天线方向图扫描角度范围为二维；主瓣方向角度为单一角度。二维多波束：天线阵列为线阵，天线方向图扫描角度范围为二维；主瓣方向角度为多个角度。三维单一波束：天线阵列为面阵，天线方向图扫描角度范围为三维；主瓣方向角度为单一角度。三维多波束：天线阵列为面阵，天线方向图扫描角度范围为三维；主瓣方向角度为多个角度。进一步地，所述二维多波束形成时，采用多重迭代，具体为：对每个主瓣方向角度对应的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得N个满足特定主旁瓣抑制比ri(i＝2,3...N)和主瓣方向角度Mi(i＝2,3...N)的天线阵列复数权重因子wi(i＝2,3...N)。N为主瓣方向角度个数。计算综合权重因子：ws1＝(w1+w2+......+wN)/N。基于综合权重因子，计算多主瓣二维天线方向图，重新设定主旁瓣抑制比，迭代计算获得满足要求的天线阵列复数权重因子ws。基于ws1计算得到的天线方向图具有N个主瓣。N个主瓣的增益相等，而主瓣与最大旁瓣的主旁瓣抑制比会下降，因此需要按照步骤一的方法合理设定新的主旁瓣抑制比rf，例如N＝1时的主旁瓣抑制比会比N＝2时的主旁瓣抑制比大约大1倍，通常重新设定主旁瓣抑制比rf＜ri(i＝2,3...N)。按照新的主旁瓣抑制比进行迭代并，最终获得N个主波束和满足该设定主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子ws，以及天线阵列二维多波束方向图。进一步地，所述三维单一波束形成时，将三维天线方向图分解成二维天线方向图进行迭代，具体为：采用E/H面分解与旋转，确定三维天线方向图中2个二维扫描角度范围AngE1和AngH1。分别对AngE1和AngH1对应的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得E/H面方向的天线阵列复数权重因子wE1和wH1。通过复数域的权重因子叠加获得综合权重因子wEH1，wEH1＝(wE1+wH1)/2。进一步地，所述三维多波束形成时，将三维天线方向图分解成2N个单一主瓣二维天线方向图并进行多重迭代，N为主瓣方向角度个数。具体为：采用E/H面分解与旋转，确定三维天线方向图中2组不同主瓣方向角度下的二维扫描角度范围AngEi和AngHi。分别对每个二维扫描角度范围、每个主瓣方向角度下的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得N组满足特定主旁瓣抑制比ri(i＝2,3...N)和主瓣方向角度θMi,的天线阵列复数权重因子wEHi(i＝2,3...N)，wEHi＝(wEi+wHi)/2。N为三维多波束的主瓣方向角度个数。wEi和wHi为第i个主瓣对应的E/H面方向的天线阵列复数权重因子。采用复数域的权重因子叠加获得综合权重因子wEHs1，wEHs1＝(wEH1+wEH2+......+wEHN)/N。基于综合权重因子wEHs1，计算在各组扫描角度范围下的三维天线方向图，通常会除了N个主瓣波束外，还会有多个具有较高增益的旁瓣，使得主旁瓣抑制比低于设定值。因此，在俯仰角θ取值0°～90°，方位角取值0°～360°的空间范围内，计算提取方向图的Kf个极大值点(Kf＞N+1)，构成新的扫描角度范围Angf(1,2...Kf)，重新设定主旁瓣抑制比，迭代计算获得满足要求的天线阵列复数权重因子wEHs。同样地，基于wEHs1计算得到的三维天线方向图具有N个主瓣。N个主瓣的增益相等，而主瓣与最大旁瓣主旁瓣抑制比会下降，因此，通常重新设定主旁瓣抑制比rf＜ri(i＝2,3...N)。进一步地，在极坐标中确定了主瓣方向角度后，对应的E/H面分解和旋转具体方法为：(1)对于E面分解和旋转，XOZ平面围绕X轴旋转，使得旋转平面经过点该平面与半径为1，球心为原点的球面的相交线，保留z≥0部分。在极坐标下，该部分相交线的极坐标即为二维扫描角度范围AngEi(1,2...KEi)，KEi表示第i个主瓣角度对应的E面扫描范围内点的个数；(2)对于H面分解和旋转，YOZ平面围绕Y轴旋转，使得旋转平面经过点该平面与半径为1，球心为原点的球面的相交线，保留z≥0部分。在极坐标下，该部分相交线的极坐标即为二维扫描角度范围AngHi(1,2...KHi)，KHi表示第i个主瓣角度对应H面扫描范围内点的个数。进一步地，所述的天线阵列在XY平面上，天线方向图计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：对于一定数量L任意排列的天线阵列，在极坐标下，设定天线方向图扫描角度范围、主旁瓣抑制比以及主瓣方向角度，迭代获得满足主旁瓣抑制比的表示激励的幅度和相位信息的天线阵列复数权重因子；其中，迭代的方法具体为：基于自适应原理，保持主瓣方向不变，以主旁瓣抑制比为目标，不断迭代计算天线方向图，直至获得的天线方向图中主瓣和所有旁瓣的主旁瓣抑制比满足设定值，获得的天线方向图中对应的天线阵列复数权重因子即为满足主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子。其中，迭代时，采用最小误差法保证相邻两次迭代的天线方向图中除对应的最大旁瓣对应点之外的所有点之间差异最小。/n步骤二：按照空间扫描角范围与时间对应顺序，依次按照步骤一方法迭代获得一组时间相关的天线阵列复数权重因子序列，将天线阵列复数权重因子序列输入到天线阵列中作为激励，形成不同时刻不同的天线波束角度，实现波束空间扫描。/n

【技术特征摘要】
1.一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对于一定数量L任意排列的天线阵列，在极坐标下，设定天线方向图扫描角度范围、主旁瓣抑制比以及主瓣方向角度，迭代获得满足主旁瓣抑制比的表示激励的幅度和相位信息的天线阵列复数权重因子；其中，迭代的方法具体为：基于自适应原理，保持主瓣方向不变，以主旁瓣抑制比为目标，不断迭代计算天线方向图，直至获得的天线方向图中主瓣和所有旁瓣的主旁瓣抑制比满足设定值，获得的天线方向图中对应的天线阵列复数权重因子即为满足主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子。其中，迭代时，采用最小误差法保证相邻两次迭代的天线方向图中除对应的最大旁瓣对应点之外的所有点之间差异最小。
步骤二：按照空间扫描角范围与时间对应顺序，依次按照步骤一方法迭代获得一组时间相关的天线阵列复数权重因子序列，将天线阵列复数权重因子序列输入到天线阵列中作为激励，形成不同时刻不同的天线波束角度，实现波束空间扫描。


2.根据权利要求1所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，通过设定天线阵列排布、天线方向图扫描角度范围和主瓣方向角度实现多种波束的形成，包括：
二维单一波束：天线阵列为线阵，天线方向图扫描角度范围为二维；主瓣方向角度为单一角度。
二维多波束：天线阵列为线阵，天线方向图扫描角度范围为二维；主瓣方向角度为多个角度。
三维单一波束：天线阵列为面阵，天线方向图扫描角度范围为三维；主瓣方向角度为单一角度。
三维多波束：天线阵列为面阵，天线方向图扫描角度范围为三维；主瓣方向角度为多个角度。


3.根据权利要求2所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，所述二维多波束形成时，采用多重迭代，具体为：
对每个主瓣方向角度对应的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得N个满足特定主旁瓣抑制比ri(i＝2,3...N)和主瓣方向角度Mi(i＝2,3...N)的天线阵列复数权重因子wi(i＝2,3...N)。N为主瓣方向角度个数。
计算综合权重因子：ws1＝(w1+w2+......+wN)/N。
基于综合权重因子，计算多主瓣二维天线方向图，重新设定主旁瓣抑制比，迭代计算获得满足要求的天线阵列复数权重因子ws。


4.根据权利要求2所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，所述三维单一波束形成时，将三维天线方向图分解成二维天线方向图进行迭代，具体为：
采用E/H面分解与旋转，确定三维天线方向图中2个二维扫描角度范围AngE1和AngH1。
分别对AngE1和AngH1对应的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得E/H面方向的天线阵列复数权重因子wE1和wH1。
通过复数域的权重因子叠加获得综合权重因子wEH1，wEH1＝(wE1+wH1)/2。


5.根据权利要求2所述的任意...

【专利技术属性】
技术研发人员：应小俊，邓庆文，胡友建，沈思逸，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：浙江;33