CN113328263B - 一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法及*** - Google Patents

一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法及***，其特征在于，包括以下内容：1)根据天线单元工作频率的波长，将N个天线单元布设为一定阵元间距的天线线阵，得到初始天线方向图；2)设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件，并采用半数泰勒分布法，得到该条件下服从泰勒分布的随机数序列；3)将得到的随机数序列中的前N个随机数分别作为初始天线方向图中对应天线单元的激励电平幅度值，并采用有限元分析法进行全波仿真分析，生成无零陷波束的天线方向图，本发明可以广泛应用于5G基站天线领域中。

Description

一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法及***
技术领域
本发明是关于一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法及***，属于5G基站天线领域。
背景技术
随着5G同心和物联网工程的发展，移动通信设备成为人们日常生活、工作和学习中不可或缺的元素，也可以说，移动通信设备的通信质量严重影响着人们的日常生活。在蜂窝移动通信***中，基站天线的天线方向图的优劣严重影响着小区内信号的载干比，从而在某种程度上影响话务质量。
基站天线的辐射天线方向图呈花瓣状，由于电磁波远距离衰弱现象，其中辐射强度最高的主瓣总是向小区内最远的地方辐射，如图1所示，辐射在基站塔附近的多零陷旁瓣导致塔下覆盖电平低而造成用户容易掉话的“塔下黑”现象。天线方向图零陷，是指天线方向图增益上的最低点，位于天线方向图主瓣与旁瓣之间以及旁瓣与旁瓣之间，严重影响信号传输质量。“塔下黑”又称“塔***影”，是指需要覆盖的用户区处在天线辐射天线方向图下方第一个零深或第二个零深及其附近区域。为防止“塔下黑”现象的发生，研究人员致力于研究实现无零陷波束的赋形方法，通过控制相控阵中各单元的激励幅度和相位实现零陷填充，现有技术中最常用的方法包括Woodward-Lawsonn(伍德沃德-劳森)天线方向图多点采样法和Orchard(奥查德)天线方向图根处理法，通过找出的天线方向图零陷位置将场强天线方向图进行因式分解，展开后的各次项系数即为阵元激励系数；最常用的方法还包括布伦特方法和天线方向图优化方法，其中，天线方向图优化方法例如遗传算法、粒子群算法等。
然而，Woodward-Lawsonn天线方向图多点采样法需要对天线方向图进行多点采样；Orchard天线方向图根处理法需要对天线方向图进行根处理，计算过程复杂；布伦特方法对天线方向图旁瓣的抑制作用较明显，对天线方向图零陷填充作用不甚明显；而天线方向图优化算法需要计算数量庞大的天线方向图，再以一定的适应度函数优中选优，得到最终的天线方向图，计算数量巨大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种计算量小且零点填充效果好的用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法及***。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法，包括以下内容：
1)根据天线单元工作频率的波长，将N个天线单元布设为一定阵元间距的天线线阵，得到初始天线方向图；
2)设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件，并采用半数泰勒分布法，得到该条件下服从泰勒分布的随机数序列；
3)将得到的随机数序列中的前N个随机数分别作为初始天线方向图中对应天线单元的激励电平幅度值，并采用有限元分析法进行全波仿真分析，生成无零陷波束的天线方向图。
进一步地，所述步骤2)的具体过程为：
2.1)设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件；
2.2)在设定的期望无零陷程度条件下，采用半数泰勒分布法中的随机数生成法，根据初始天线方向图，得到服从泰勒分布的2N个泰勒随机数，并进行加权计算，构成随机数序列。
进一步地，所述步骤2.1)中的期望无零陷程度条件包括初始天线方向图的旁瓣电平抑制度和阵元数目。
进一步地，所述旁瓣电平抑制度设定为-60。
进一步地，所述步骤1)中调整阵元间距，进而调整初始天线方向图的相对对称状态，阵元间距越大则增益越高，天线方向图的对称情况越好。
一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形***，包括：
天线线阵设置模块，用于根据天线单元工作频率的波长，将N个天线单元布设为一定阵元间距的天线线阵，得到初始天线方向图；
随机数序列确定模块，用于设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件，并采用半数泰勒分布法，得到该条件下服从泰勒分布的随机数序列；
全波仿真分析模块，用于将得到的随机数序列中的前N个随机数分别作为初始天线方向图中对应天线单元的激励电平幅度值，并采用有限元分析法进行全波仿真分析，生成无零陷波束的天线方向图。
进一步地，所述随机数序列确定模块包括：
条件设定单元，用于设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件；
随机数生成单元，用于在设定的期望无零陷程度条件下，采用半数泰勒分布法中的随机数生成法，根据初始天线方向图，得到服从泰勒分布的2N个泰勒随机数，并进行加权计算，构成随机数序列。
一种处理器，包括计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现上述用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法对应的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现上述用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法对应的步骤。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：与现有技术相比，本发明具有计算量较小，计算过程简明易懂，且能够实现较好的零点填充效果的优点，能够在360°范围内实现无零陷天线方向图，且能够通过简单的调整阵元间距和旁瓣电平抑制度等参数，进一步完善无零陷天线方向图，可以广泛应用于5G基站天线领域中。
附图说明
图1是现有技术中基站天线信号的辐射情况示意图；
图2是本发明一实施例提供的赋形方法流程示意图；
图3是本发明一实施例提供的天线单元的结构示意图，其中，图3(a)是工作频率为3.5GH的天线单元，图3(b)是工作频率为26GHz的天线单元；
图4是本发明一实施例提供的天线线阵的结构示意图，其中，图4(a)是工作频率为3.5GH的天线单元的天线线阵，图4(b)是工作频率为26GHz的天线单元的天线线阵；
图5是本发明一实施例提供的天线线阵的|S11|参数曲线示意图，其中，图5(a)是工作频率为3.5GH的天线单元的|S11|参数曲线，图5(b)是工作频率为26GHz的天线单元的|S11|参数曲线；
图6是本发明一实施例提供的旁瓣抑制度为-60时不同阵元间距下的远场方向曲线图，其中，图6(a)是工作频率为3.5GH的天线单元的远场方向曲线，图6(b)是工作频率为26GHz的天线单元的远场方向曲线；
图7是本发明一实施例提供的不同旁瓣抑制度下的远场辐射天线方向图，其中，图7(a)是工作频率为3.5GH的天线单元的不同旁瓣抑制度下的远场辐射天线方向图，图7(b)是工作频率为26GHz的天线单元的不同旁瓣抑制度下的远场辐射天线方向图；
图8是本发明一实施例提供的不同旁瓣抑制度下无零陷波束覆盖区域的功率曲线示意图，其中，图8(a)是工作频率为3.5GH的天线单元的不同旁瓣抑制度下无零陷波束覆盖区域的功率曲线，图8(b)是工作频率为26GHz的天线单元的不同旁瓣抑制度下无零陷波束覆盖区域的功率曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
本发明实施例提供的用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法及***采用半数泰勒分布法实现天线阵列的无零陷天线方向图，且能够通过简单的调整阵元间距和抑制度等参数，进一步完善无零陷天线方向图。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法，包括以下步骤：
1)根据天线单元工作频率的波长，将N个天线单元布设为一定阵元间距的天线线阵，得到初始天线方向图，如图3(a)和(b)所示，本实施例中以工作频率分别为3.5GH和26GHz的天线单元为例，将该天线单元布设为阵元间距为0.45～0.75波长的1*12的天线线阵，如图4(a)和图4(b)所示，12个天线阵元的激励均设置为幅度为1v、同相位的电平信号，天线单元的阵元间距根据天线单元工作频率的波长确定。
2)设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件，并采用半数泰勒分布法，得到该条件下服从泰勒分布的随机数序列，具体为：
2.1)根据实际需求，设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件，包括初始天线方向图的旁瓣电平抑制度和阵元数目，例如旁瓣电平抑制度设定为-60、阵元数目设定为2*12。其中，旁瓣电平抑制度表示想要对旁瓣和副瓣(即非主瓣)的抑制程度(在天线单元中只有主瓣是有用的，其他瓣均需要进行抑制)，若想要填充效果更好，则可将旁瓣电平抑制度的绝对值设置的相对更大，例如-100，但是缺点在于旁瓣电平抑制度越强，会对主瓣增益有些影响，-60是一个影响较小的数值。对于阵元数目，若所需的实际阵元数目为N，则在本步骤中将设定阵元数目为2N，即会得到2N个泰勒随机数。
2.2)在设定的期望无零陷程度条件下，采用半数泰勒分布法中的随机数生成法，根据初始天线方向图，得到服从泰勒分布的2N个泰勒随机数，并进行加权计算，构成随机数序列(若阵元数目为2*12，则得到24个泰勒随机数)，其中，加权计算的权值与旁瓣电平抑制度相关，且抑制度值越小，则无零陷效果越好：
该步骤只采用半数泰勒分布法的第一步，即随机数生成法，目的是为生成泰勒随机数。通过随机数生成法，生成服从泰勒分布的2N个泰勒随机数，并对进行加权计算，以实现所期望抑制度的无零陷波束。
3)将得到的随机数序列中的前N个随机数分别作为初始天线方向图中对应天线单元的激励电平幅度值，并采用有限元分析法进行全波仿真分析，生成无零陷波束的天线方向图。其中，有限元分析法是微波射频电磁场中常用的一种分布式计算方法，过程大体为将方针目标看成无数个微小的元组成的整体，对其中的每个元均进行电磁场计算，最后得到综合分布，这些均为现有技术公开的内容，具体过程在此不多做赘述。
上述步骤1)中，如图5所示，|S11|表示激励源与天线阻抗的匹配程度，两者数则值越接近，匹配效果越好，|S11|越小，辐射出去的能量越多，天线单元的阵元间距一定程度上会影响天线阻抗，所以会对|S11|造成一些影响，需要经过调整，找到|S11|最符合期望的阵元间距。|S11|能反映天线单元的回波损耗，天线单元的主要工作是向外界辐射能量，理论上讲|S11|在-10dB的频段(即90％的能量被辐射出去，10％的能量返回)时，天线单元能够正常工作，因此|S11|小于-10dB的频段是天线单元的工作频段，|S11|越小，能量辐射出去的越多，所以一般将天线单元的最佳谐振频点(即|S11|最小)作为最佳工作频点上，例如天线单元需要实际工作在3.5GHz处，则将最佳谐振频点设定在3.5GHz处。
上述步骤1)中在一定范围内调整阵元间距，以调整初始天线方向图的相对对称状态，阵元间距越大则增益越高，天线方向图的对称情况越好，如图6(a)和(b)所示。
上述步骤2)中，天线方向图的旁瓣电平抑制度越高，则天线方向图的零点填充效果越好，天线方向图的曲线越平滑，可接收功率越高且分布越均匀，如图7(a)、(b)和图8(a)、(b)所示。
实施例2
本实施例提供一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形***，包括：
天线线阵设置模块，用于根据天线单元工作频率的波长，将N个天线单元布设为一定阵元间距的天线线阵，得到初始天线方向图。
随机数序列确定模块，用于设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件，并采用半数泰勒分布法，得到该条件下服从泰勒分布的随机数序列。
全波仿真分析模块，用于将得到的随机数序列中的前N个随机数分别作为初始天线方向图中对应天线单元的激励电平幅度值，并采用有限元分析法进行全波仿真分析，生成无零陷波束的天线方向图。
在一个优选的实施例中，随机数序列确定模块包括：
条件设定单元，用于设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件。
随机数生成单元，用于在设定的期望无零陷程度条件下，采用半数泰勒分布法中的随机数生成法，根据初始天线方向图，得到服从泰勒分布的2N个泰勒随机数，并进行加权计算，构成随机数序列。
实施例3
本实施例提供一种与本实施例1所提供的用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法对应的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的方法。
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，处理器运行计算机程序时执行本实施例1所提供的用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法。
在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(RAM：Random AccessMemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
实施例4
本实施例1的用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法可被具体实现为一种计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法，其特征在于，包括以下内容：
1)根据天线单元工作频率的波长，将N个天线单元布设为一定阵元间距的天线线阵，得到初始天线方向图；
2)设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件，并采用半数泰勒分布法，得到该条件下服从泰勒分布的随机数序列，具体过程为：
2.1)设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件；
2.2)在设定的期望无零陷程度条件下，采用半数泰勒分布法中的随机数生成法，根据初始天线方向图，得到服从泰勒分布的2N个泰勒随机数，并进行加权计算，构成随机数序列；
3)将得到的随机数序列中的前N个随机数分别作为初始天线方向图中对应天线单元的激励电平幅度值，并采用有限元分析法进行全波仿真分析，生成无零陷波束的天线方向图。
2.如权利要求1所述的一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法，其特征在于，所述步骤2.1)中的期望无零陷程度条件包括初始天线方向图的旁瓣电平抑制度和阵元数目。
3.如权利要求1所述的一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法，其特征在于，所述步骤1)中调整阵元间距，进而调整初始天线方向图的相对对称状态，阵元间距越大则增益越高，天线方向图的对称情况越好。
4.一种用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形***，其特征在于，包括：
天线线阵设置模块，用于根据天线单元工作频率的波长，将N个天线单元布设为一定阵元间距的天线线阵，得到初始天线方向图；
随机数序列确定模块，用于设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件，并采用半数泰勒分布法，得到该条件下服从泰勒分布的随机数序列，包括：
条件设定单元，用于设定初始天线方向图的期望无零陷程度条件；
随机数生成单元，用于在设定的期望无零陷程度条件下，采用半数泰勒分布法中的随机数生成法，根据初始天线方向图，得到服从泰勒分布的2N个泰勒随机数，并进行加权计算，构成随机数序列；
全波仿真分析模块，用于将得到的随机数序列中的前N个随机数分别作为初始天线方向图中对应天线单元的激励电平幅度值，并采用有限元分析法进行全波仿真分析，生成无零陷波束的天线方向图。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现权利要求1-3中任一项所述的用于实现线阵天线无零陷落波束的赋形方法对应的步骤。
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