CN113067618B - 一种多频点波束赋形方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多频点波束赋形方法及***,所述方法包括:获取待赋形天线阵面的相位函数;获取在赋形方向上的典型频点的相位;将各相位代入一维线阵方向图计算公式进行修正,获取修正后的方向图公式;根据修正后的方向图公式,利用优化算法获取满足要求的中频幅相值;将中频幅相值扩展为其它频点的幅相值;将各频点的幅相值代入二维阵面方向图公式,求解阵面的空间方向图也即波束赋形方向图;判断波束赋形方向图是否满足赋形要求,若不满足,则对频点进行加密,重复上述步骤,直到得到的波束赋形方向图满足赋形要求;本发明的优点在于:赋形较为容易,赋形效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及阵列天线设计领域,更具体涉及一种多频点波束赋形方法及***。
背景技术
阵列天线在雷达、电子战等领域有着广泛的应用。很多情况下,雷达、电子战等需要特殊形状的天线波束,如余割平方赋形、波束展宽、平顶波束等,波束赋形是相控阵天线设计的一个重要环节。
目前大多数赋形方法是针对单一频点进行优化,当赋形方向采用功分器合成或天线宽带工作时,若只针对中频进行赋形,由于色散效应的存在,其它频点的相位会产生一定的偏移量,当带宽较宽时,偏移量较大,导致方向图发生恶化,无法满足赋形要求。
论文《一种实现宽带波束赋形的相位优化方法》(彭中卫,2009年全国天线年会论文集(下),1248-1250)通过加入限制相位分布条件,将相位限制在较小区间内,在10%带宽内实现了天线的宽带工作。
然而,随着天线带宽的增加,即使将中频相位分布限制在一定范围内,低频、高频的相位偏移量也会较大,导致赋形效果较差。另外,在某些情况下,若将相位分布限制在一定范围内,相位优化的自由度变小,导致赋形比较困难,赋形效率低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于:现有波束赋形方法在多频点应用时存在赋形比较困难,赋形效率低的问题。
本发明是通过以下技术手段实现解决上述技术问题的:一种多频点波束赋形方法,所述方法包括:
步骤1:获取待赋形天线阵面的相位函数;
步骤2:获取在赋形方向上典型频点的相位;
步骤3:将各相位代入一维线阵方向图计算公式进行修正,获取修正后的方向图公式;
步骤4:根据修正后的方向图公式,利用优化算法获取满足要求的中频幅相值;
步骤5:将中频幅相值扩展为其它频点的幅相值;
步骤6:将各频点的幅相值代入二维阵面方向图公式,求解阵面的空间方向图也即波束赋形方向图;
步骤7:判断步骤6得到的波束赋形方向图是否满足赋形要求,若不满足,则对步骤2中的频点进行加密,重复步骤2至步骤7,直到得到的波束赋形方向图满足赋形要求。
本发明引入了相位函数,根据相位函数获得赋形方向上典型频点的相位,首先获取满足要求的中频幅相值,然后将中频幅相值扩展为其它频点的幅相值,将多频点天线单元的幅相值优化转化为单频点的幅相优化,大大降低了优化成本,降低赋形难度,提高了赋形效率,天线阵面带宽越宽,降低优化成本越明显。
进一步地,所述步骤1包括:
对于M行×N列的阵面,天线带宽为fL~fH,中频为f0,得到相位函数:
更进一步地,所述步骤2包括:
典型频点的取值由赋形带宽及相位函数确定。
更进一步地,所述步骤3包括:
若阵面在列方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
若阵面在行方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
更进一步地,所述步骤4包括:
根据步骤3中修正后的方向图公式,设计优化目标为F1+F2+...+Fg,利用优化算法获取满足波束赋形要求的幅相值am、或an、其中,优化算法采用遗传算法或粒子群算法,当优化目标收敛时获得满足波束赋形要求的幅相值am、或an、
更进一步地,所述步骤6包括:
本发明还提供一种多频点波束赋形***,所述***包括:
相位函数获取模块,用于获取待赋形天线阵面的相位函数;
相位获取模块,用于获取在赋形方向上的典型频点的相位;
方向图修正模块,用于将各相位代入一维线阵方向图计算公式进行修正,获取修正后的方向图公式;
中频幅相值获取模块,用于根据修正后的方向图公式,利用优化算法获取满足要求的中频幅相值;
幅相扩展模块,用于将中频幅相值扩展为其它频点的幅相值;
波束赋形方向图获取模块,用于将各频点的幅相值代入二维阵面方向图公式,求解阵面的空间方向图也即波束赋形方向图;
判断模块,用于判断波束赋形方向图获取模块得到的波束赋形方向图是否满足赋形要求,若不满足,则对相位获取模块中的频点进行加密,重复执行相位获取模块至判断模块,直到得到的波束赋形方向图满足赋形要求。
进一步地,所述相位函数获取模块还用于:
对于M行×N列的阵面,天线带宽为fL~fH,中频为f0,得到相位函数:
更进一步地,所述相位获取模块还用于:
更进一步地,所述方向图修正模块还用于:
若阵面在列方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
若阵面在行方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
更进一步地,所述中频幅相值获取模块还用于:
根据方向图修正模块中修正后的方向图公式,设计优化目标为F1+F2+...+Fg,利用优化算法获取满足波束赋形要求的幅相值am、或an、其中,优化算法采用遗传算法或粒子群算法,当优化目标收敛时获得满足波束赋形要求的幅相值am、或an、
更进一步地,所述波束赋形方向图获取模块还用于:
本发明的优点在于:本发明引入了相位函数,根据相位函数获得赋形方向上的典型频点的相位,首先获取满足要求的中频幅相值,然后中频幅相值扩展为其它频点的幅相值,将多频点天线单元的幅相值优化转化为单频点的幅相优化,大大降低了优化成本,降低赋形难度,提高了赋形效率,天线阵面带宽越宽,降低优化成本越明显。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种多频点波束赋形方法的流程图;
图2为本发明实施例所公开的一种多频点波束赋形方法中列方向余割平方赋形效果图,其中,图2的(a)图为列方向低频余割平方赋形效果图;图2的(b)图为列方向中频余割平方赋形效果图;图2的(c)图为列方向高频余割平方赋形效果图;
图3为本发明实施例所公开的一种多频点波束赋形方法中列方向余割平方赋形对应的相位值。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例,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作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。
实施例1
如图1所示,一种多频点波束赋形方法,所述方法包括:
步骤1:获取待赋形天线阵面的相位函数;
步骤2:获取在赋形方向上的典型频点的相位;
步骤3:将各相位代入一维线阵方向图计算公式进行修正,获取修正后的方向图公式;
步骤4:根据修正后的方向图公式,利用优化算法获取满足要求的中频幅相值;
步骤5:将中频幅相值扩展为其它频点的幅相值;
步骤6:将各频点的幅相值代入二维阵面方向图公式,求解阵面的空间方向图也即波束赋形方向图;
步骤7:判断步骤6得到的波束赋形方向图是否满足赋形要求,若不满足,则对步骤2中的频点进行加密,重复步骤2至步骤7,直到得到的波束赋形方向图满足赋形要求。
以下详细介绍本发明提供的方法的各步骤:
步骤1:对于M行×N列的阵面,天线带宽为fL~fH,中频为f0,得到相位函数:
即:
即:
若阵面在列方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
若阵面在行方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
若阵面在行方向上波束赋形,对于频点fL、f0、fH,有
步骤4:根据步骤3中修正后的方向图公式,设计优化目标为F1+F2+...+Fg,利用优化算法获取满足波束赋形要求的幅相值am、或an、其中,优化算法采用遗传算法或粒子群算法,当优化目标收敛时获得满足波束赋形要求的幅相值am、或an、本实施例中,优化目标为FL+F0+FH。
步骤5:将步骤4中的一维线阵的天线单元的幅相值扩展为其它频点的幅相值。
本发明采用以下参数进行验证。天线阵面为32行×32列。单元间距为半个波长,俯仰面采用仅相位赋形微带功分器合成(即am=1),要求该阵列在列方向赋形波束为余割平方方向图。
结合图1所示,可以获取该阵面的相位函数进而得到频点fL、f0、fH的相位将该相位因子带入一维列线阵的方向图计算公式,通过优化算法求解出满足赋形要求的相位值然后利用公式将中心频点的相位值扩展为其它频点的相位值,并带入二维阵面方向图计算公式,得到阵面的波束赋形方向图。图2给出了赋形效果,证实了本发明方法的可行性,对应的端口相位值见图3。
通过以上技术方案,本发明引入了相位函数,根据相位函数获得赋形方向上的典型频点的相位,首先获取满足要求的中频幅相值,然后中频幅相值扩展为其它频点的幅相值,将多频点天线单元的幅相值优化转化为单频点的幅相优化,大大降低了优化成本,降低赋形难度,提高了赋形效率,天线阵面带宽越宽,降低优化成本越明显。
实施例2
与本发明实施例1相对应的,本发明实施例2还提供一种多频点波束赋形***,所述***包括:
相位函数获取模块,用于获取待赋形天线阵面的相位函数;
相位获取模块,用于获取在赋形方向上的典型频点的相位;
方向图修正模块,用于将各相位代入一维线阵方向图计算公式进行修正,获取修正后的方向图公式;
中频幅相值获取模块,用于根据修正后的方向图公式,利用优化算法获取满足要求的中频幅相值;
幅相扩展模块,用于将中频幅相值扩展为其它频点的幅相值;
波束赋形方向图获取模块,用于将各频点的幅相值代入二维阵面方向图公式,求解阵面的空间方向图也即波束赋形方向图;
判断模块,用于判断波束赋形方向图获取模块得到的波束赋形方向图是否满足赋形要求,若不满足,则对相位获取模块中的频点进行加密,重复执行相位获取模块至判断模块,直到得到的波束赋形方向图满足赋形要求。
具体的,所述相位函数获取模块还用于:
对于M行×N列的阵面,天线带宽为fL~fH,中频为f0,得到相位函数:
更具体的,所述相位获取模块还用于:
更具体的,所述方向图修正模块还用于:
若阵面在列方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
若阵面在行方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
更具体的,所述中频幅相值获取模块还用于:
根据方向图修正模块中修正后的方向图公式,设计优化目标为F1+F2+...+Fg,利用优化算法获取满足波束赋形要求的幅相值am、或an、其中,优化算法采用遗传算法或粒子群算法,当优化目标收敛时获得满足波束赋形要求的幅相值am、或an、
更具体的,所述波束赋形方向图获取模块还用于:
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种多频点波束赋形方法,其特征在于,所述方法包括:
步骤1:获取待赋形天线阵面的相位函数;
步骤2:获取在赋形方向上的典型频点的相位;
若阵面在列方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
若阵面在行方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
步骤4:根据修正后的方向图公式,利用优化算法获取满足要求的中频幅相值;
步骤5:将中频幅相值扩展为其它频点的幅相值;
步骤6:将各频点的幅相值代入二维阵面方向图公式,求解阵面的空间方向图也即波束赋形方向图;
步骤7:判断步骤6得到的波束赋形方向图是否满足赋形要求,若不满足,则对步骤2中的频点进行加密,重复步骤2至步骤7,直到得到的波束赋形方向图满足赋形要求。
6.一种多频点波束赋形***,其特征在于,所述***包括:
相位函数获取模块,用于获取待赋形天线阵面的相位函数;
相位获取模块,用于获取在赋形方向上的典型频点的相位;
方向图修正模块,用于将各相位代入一维线阵方向图计算公式进行修正,获取修正后的方向图公式;所述方向图修正模块还用于:
若阵面在列方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
若阵面在行方向上波束赋形,则修正后的方向图计算公式为:
中频幅相值获取模块,用于根据修正后的方向图公式,利用优化算法获取满足要求的中频幅相值;
幅相扩展模块,用于将中频幅相值扩展为其它频点的幅相值;
波束赋形方向图获取模块,用于将各频点的幅相值代入二维阵面方向图公式,求解阵面的空间方向图也即波束赋形方向图;
判断模块,用于判断波束赋形方向图获取模块得到的波束赋形方向图是否满足赋形要求,若不满足,则对相位获取模块中的频点进行加密,重复执行相位获取模块至判断模块,直到得到的波束赋形方向图满足赋形要求。
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