本發(fā)明涉及一種波束成形方法，尤其涉及一種N陣元圓陣智能天線波束成形方法。

背景技術(shù)：

智能天線指的是帶有可以判定信號(hào)的空間信息(比如傳播方向)和跟蹤、定位信號(hào)源的智能算法，并且可以根據(jù)此信息，進(jìn)行空域?yàn)V波的天線陣列。智能天線由三部分組成：實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間采樣的天線陣、對各陣元輸出進(jìn)行加權(quán)合并的波束成型網(wǎng)絡(luò)以及重新合并權(quán)值的控制部分；天線陣列多采用陣元間距為0.5λ的均勻線陣或均勻圓陣，然而，天線陣陣元之間存在的電磁互耦不但對天線陣的增益、波束寬度等電參數(shù)有一定影響，而且會(huì)改變陣列接收信號(hào)的幅度和相位。隨著陣元間距的減小，互耦效應(yīng)越來越強(qiáng)烈，從而大大降低了天線陣的性能，現(xiàn)有技術(shù)中，對于波束成形方法主要是進(jìn)行互耦補(bǔ)償或校正，這些方法存在補(bǔ)償完全以及校正不徹底，而且現(xiàn)有方法對于適用環(huán)境要求高，局限性大。

因此，為了解決上述技術(shù)問題，需要提出一種新的N陣元圓陣天線智能天線波束成形方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種N陣元圓陣天線智能天線波束成形方法，能夠有效地抑制圓陣天線陣列的陣元之間的耦合，從而降低陣元之間耦合對波束成形的影響，而且在計(jì)算過程中不再考慮耦合因素，從而有效降低波束成形算法的復(fù)雜度，提升天線陣的性能，而且適應(yīng)性強(qiáng)。

本發(fā)明提供的一種基于N陣元圓陣智能天線波束成形方法，包括

在天線陣列與波束成形網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置模式去耦網(wǎng)絡(luò)，且天線陣列與模式去耦網(wǎng)絡(luò)組成去耦天線陣列；

獲取去耦天線陣列的散射矩陣S_n，計(jì)算波束成形的方向圖權(quán)值向量W，該方向圖權(quán)值向量W作為激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)天線陣列的陣元產(chǎn)生相應(yīng)的波束方向圖。

進(jìn)一步，通過如下方法進(jìn)行天線陣列的去耦匹配：

S1.構(gòu)建設(shè)置模式去耦網(wǎng)絡(luò)之前的天線陣列的散射矩陣S₀，其中散射矩陣S₀為N×N矩陣，并計(jì)算散射矩陣S₀的特征向量V1，…，VN，其中，V1＝[V₁₁…V_1N],…,VN＝[V_N1…V_NN]；

S2.根據(jù)散射矩陣S₀構(gòu)建模式去耦網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣S₁：

其中，S₁是2N×2N矩陣，且V1,…,VN彼此相互正交；

S3.根據(jù)步驟S3和S4得出去耦天線陣列的散射矩陣S_n:

其中：去耦天線陣列的散射矩陣S_n的對角線上的元素a₁,…,a_N為散射矩陣S₀的特征值，其中

進(jìn)一步，通過如下方法計(jì)算方向圖權(quán)值向量W：

A1.以遞歸最小二乘法對原天線陣列進(jìn)行波束成形計(jì)算，獲取在目標(biāo)信號(hào)空間方向上形成波束的方向圖權(quán)值向量W1；

A2.按照如下公式計(jì)算去耦天線陣列的方向圖權(quán)值向量W：W＝W1×V,其中，

進(jìn)一步，所述N陣元圓陣智能天線的陣元均勻布置。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的N陣元圓陣智能天線波束成形方法，能夠有效地抑制圓陣天線陣列的陣元之間的耦合，從而降低陣元之間耦合對波束成形的影響，而且在計(jì)算過程中不在考慮耦合因素，從而有效降低波束成形算法的復(fù)雜度，提升天線陣的性能，而且適應(yīng)性強(qiáng)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1為本發(fā)明的原理圖。

圖2為本發(fā)明的天線陣示意圖。

圖3為本發(fā)明的模式去耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明的在phi平面的波束模擬仿真圖。

圖5為本發(fā)明的在theta平面的波束模擬仿真圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的闡述：

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于N陣元圓陣智能天線波束成形方法，尤其是適用于緊湊型N陣元圓陣天線陣列，該方法具體包括:

在天線陣列與波束成形網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置模式去耦網(wǎng)絡(luò)，且天線陣列與模式去耦網(wǎng)絡(luò)組成去耦天線陣列；

獲取去耦天線陣列的散射矩陣S_n，計(jì)算波束成形的方向圖權(quán)值向量W，該方向圖權(quán)值向量W作為激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)天線陣列的陣元產(chǎn)生相應(yīng)的波束方向圖，通過上述方法，能夠有效地抑制圓陣天線陣列的陣元之間的耦合，從而降低陣元之間耦合對波束成形的影響，而且在計(jì)算過程中不再考慮耦合因素，從而有效降低波束成形算法的復(fù)雜度，提升天線陣的性能，而且適應(yīng)性強(qiáng)，其中，所述N陣元圓陣智能天線的陣元均勻布置，如圖2所示，圖2中以4個(gè)陣元為例。

本實(shí)施例中，通過如下方法進(jìn)行天線陣列的去耦匹配：

S1.構(gòu)建設(shè)置模式去耦網(wǎng)絡(luò)之前的天線陣列的散射矩陣S₀，其中散射矩陣S₀為N×N矩陣，并計(jì)算散射矩陣S₀的特征向量V1，…，VN，其中，V1＝[V₁₁…V_1N],…,VN＝[V_N1…V_NN]；其中，散射矩陣S₀根據(jù)天線陣參數(shù)、目標(biāo)信號(hào)空間信息進(jìn)行構(gòu)建；

S2.根據(jù)散射矩陣S₀構(gòu)建模式去耦網(wǎng)絡(luò)的散射矩陣S₁：

其中，S₁是2N×2N矩陣，且V1,…,VN彼此相互正交；

S3.根據(jù)步驟S3和S4得出去耦天線陣列的散射矩陣S_n:

其中：去耦天線陣列的散射矩陣S_n的對角線上的元素a₁,…,a_N為散射矩陣S₀的特征值，其中通過上述方法，矩陣S_n對角線之外的元素均為0，去耦天線陣的陣元之間是相互隔離的，互耦效應(yīng)被消除；矩陣S_n中對角線上的元素可以由常規(guī)的匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行匹配，這時(shí)，如果單獨(dú)激勵(lì)新天線陣中每個(gè)陣元而其它陣元與匹配負(fù)載相連接，則所生成的輻射方向圖是相互正交的特征模式輻射方向圖，特征模式方向圖的個(gè)數(shù)與天線陣陣元的個(gè)數(shù)相同。

本實(shí)施例中，通過如下方法計(jì)算方向圖權(quán)值向量W：

A1.以遞歸最小二乘法對原天線陣列進(jìn)行波束成形計(jì)算，獲取在目標(biāo)信號(hào)空間方向上形成波束的方向圖權(quán)值向量W1；其中，在本步驟中，還包括通過天線陣獲取目標(biāo)信號(hào)的空間位置信息，然后將該信息通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理形成數(shù)字信號(hào)，然后輸入到波束成形網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行計(jì)算，其中，該空間位置信息包括信號(hào)的空間角度信息，即俯仰角theta和方位角phi。

A2.按照如下公式計(jì)算去耦天線陣列的方向圖權(quán)值向量W：W＝W1×V,其中，

通過上述方法，無需在算法中考慮天線陣元之間的互耦問題，從而大大降低了波束成形算法的復(fù)雜度，并提高波束成形的精確度。

以下通過具體實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步說明：

如圖2所示，天線陣選用4個(gè)單極子天線組成的均勻圓陣，諧振頻率為2.4GHz，單極子陣元的長度為30mm，陣元間的距離為d＝25mm(0.2λ)；模式去耦網(wǎng)絡(luò)的散射陣列S₁為：

本實(shí)施例中，模式去耦網(wǎng)絡(luò)有正交混合網(wǎng)絡(luò)和移相器組成，具體原理如圖3所示，其中，端口1、2、3、4為輸入端口，端口1'、2'、3'、4'為輸出端口并與天線陣的四個(gè)陣元分別連接。去耦網(wǎng)絡(luò)的輸入端口1、2、3、4經(jīng)過匹配后將作為新的天線陣端口，而去耦網(wǎng)絡(luò)的輸出端口1'、2'、3'、4'的輸出信號(hào)將用來分別激勵(lì)四個(gè)天線陣元。

當(dāng)天線陣獲得目標(biāo)的空間位置信息時(shí)，智能天線系統(tǒng)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理器將獲得的目標(biāo)空間位置信息轉(zhuǎn)換為算法識(shí)別的輸入信息，然后使用遞歸最小二乘算法(RLS)對常規(guī)的四陣元均勻圓陣天線陣進(jìn)行波束成形運(yùn)算，計(jì)算出所需方向圖的權(quán)值向量W1，則加載了去耦匹配網(wǎng)絡(luò)的新天線陣的方向圖權(quán)值向量W為：

其中，最后，將方向圖權(quán)值向量W作為激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)天線陣元工作。

本實(shí)例中，目標(biāo)信號(hào)空間角度設(shè)置為thetaS＝40°，phs＝70°；從圖4、圖5可以看出在thata＝40°，ph＝70°，|AF|值達(dá)到了最大，形成了所需的波束。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。