一種移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法
【專利摘要】本發明公開了一種移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法，包括以下步驟：建立稀布平面天線陣的優化數學模型；根據稀布平面天線陣的幾何尺寸和天線的工作波長λ隨機產生Ny×Nx維的陣元選擇矩陣I以及陣元坐標矩陣X1及Y1；構建向量映射函數T，并根據向量映射函數T對陣元坐標矩陣X1及陣元坐標矩陣Y1進行映射處理；將陣元選擇矩陣I和映射后的陣元坐標矩陣X及Y代入稀布平面天線陣的優化數學模型，計算稀布平面天線陣列在工作范圍內的最大峰值旁瓣電平PSLL；得最優稀布平面天線陣列中各陣元的位置、沿x軸方向上的陣元數量為Nx、以及沿y軸方向上的陣元數量Ny，該方法能夠使稀布平面天線陣列的峰值旁瓣電平最低。
【專利說明】
一種移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法
技術領域
[0001] 本發明屬于移動衛星通信技術領域，涉及一種移動衛星通信稀布平面天線陣列優 化方法。
【背景技術】
[0002] 陣列天線是將多個相同的小天線陣元按照一定規律排列組成的天線系統，平板陣 列天線中常見的有相控陣天線、單板陣列天線、多板陣列天線等。
[0003] 相控陣天線自問世以來迅速在雷達、聲吶等領域中得到了廣泛的應用，它是通過 控制各陣元的相位和幅度來形成波束并驅動其指向目標的天線系統。但一般的相控陣天線 波束掃描范圍是與陣列法線夾角小于60°的空域，若掃描仰角更低，會導致波束畸變，天線 的增益、波束寬度、旁瓣電平等性能指標都會急劇變差，這是相控陣天線的原理缺陷。
[0004] -種改進的作法是將平板陣列天線安裝于方位0~360°旋轉、俯仰0~90°旋轉的 平臺上，使相控陣天線的波束在整個工作范圍內始終垂直于天線平面，這樣就不存在波束 畸變的問題。
[0005] 單板陣列天線是將所有陣元放置于同一平面內，陣元之間通過饋電合并網絡實現 信號的合成與功率分配的一種平板陣列天線。單板天線的波束固定于陣列平面，且通常指 向陣列法線方向，天線波束不采用電子相控掃描，完全由機械伺服機構驅動。與相控陣天線 相比，這類天線雖然輪廓較高，但在天線的工作范圍內性能更優。
[0006] 這類平板天線在動中通衛星通信系統中具有廣泛的應用。動中通衛星通信系統是 指移動載體(例如汽車、火車、飛機、輪船等)在快速運行過程中實現與目標衛星(靜止或定 點衛星，即同步軌道衛星)實時通信的系統。
[0007] 由于赤道上空的同步軌道衛星數量日益增多，國際電信聯盟對動中通衛星通信天 線方位上的功率輻射密度進行了嚴格規定，要求動中通天線在方位上具有窄波束和高精度 的指向跟蹤功能，以防止動中通地球站對相鄰衛星產生干擾。根據天線方向圖函數，在其它 因素不變的條件下，天線口徑越大，波束寬度越小，即窄波束對應大尺寸天線，因此在滿足 衛星通信基本要求的前提下，低輪廓動中通的單板天線大部分采用細長的矩形結構。
[0008] 受運動載體空間的限制，動中通天線的尺寸不能很大，要在滿足衛星通信基本需 求的前提下盡可能地提高天線性能。盡管動中通衛星通信中的干擾不強，但受運動載體空 間的限制，發射天線的功耗受限，這就要求動中通天線降低旁瓣電平，將發射能量盡可能地 集中于波束主瓣，以提高發射能量的利用效率，同時也可以減少各種噪聲對接收系統的影 響。
[0009] 當前，均勻間距的平板陣列由于數學處理方便，陣列裝配簡單，在當前的動中通衛 星通信中應用較多。為確保動中通天線在方位上具有較窄的波束寬度，天線在方位上口徑 較大，采用均勻間距布陣就需要大量的天線陣元，這會導致天線結構復雜，功耗增高、系統 造價抬升;另外，天線優化中還需要幅相加權來實現低副瓣，需要增加額外的移相器和衰減 器。但非均勻間距的稀布天線陣列能夠避免上述問題，且稀布陣列天線優化也是降低天線 峰值旁瓣電平的一種有效途徑。陣元的稀布會使天線口徑增大，波束寬度變窄，空間分辨率 提高，且稀布陣列能夠減小陣元間的互耦，適用于寬帶系統，因此稀布平板陣列天線在衛星 通信中有著廣泛的應用。
[0010]陣列天線的方向圖是陣元位置的復指數函數，因此陣元間距的優化設計，即陣列 天線的優化布陣是一個典型的多維非線性優化問題，數值求解很難獲得有用結果，大多采 用遺傳算法、免疫算法、模擬退火算法等各種進化優化算法。
[0011]在工程應用中，相鄰陣元之間的互耦效應會隨著陣元間距的減小而增大，從而不 斷惡化天線性能，因此在天線設計時為減小陣元間的互耦，需要給定一個最小的陣元間距 約束;考慮到動中通天線有限的安裝空間，還需要約束陣列孔徑為定值，綜合考慮在上述約 束條件下的稀布天線陣列優化才具有工程實用價值。
[0012] 基于隨機進化算法的約束條件處理方法主要有多目標優化法、懲罰函數法、約束 支配法、修復不可行解法、修改算子法等，其中最常用的是懲罰函數法和多目標優化法。但 這類算法都會產生大量的不可行解，使得進化優化算法的優化效率很低，很難獲取實用的 結果。
【發明內容】
[0013] 本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種移動衛星通信稀布平面 天線陣列優化方法，該方法能夠實現對移動衛星通信稀布平面天線陣列的優化，使稀布平 面天線陣列的峰值旁瓣電平最低。
[0014] 為達到上述目的，本發明所述的移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法包括以 下步驟：
[0015] 1)設稀布平面天線陣中的陣元位于xoy平面上，其中，沿X軸方向上陣元的數量為 Nx，沿y軸方向上陣元的數量為Ny，0及φ分別為天線波束的指向，建立稀布平面天線陣的優 化數學模型；
[0016] 2)設初始的陣元選擇矩陣I為所有元素全部為1的NyXNx維矩陣，得陣元的初始坐 標矩陣Χ ιηι及Υιηι，再根據稀布平面天線陣的幾何尺寸和天線的工作波長λ隨機產生NyXN x維 的陣元選擇矩陣I以及陣元坐標矩陣心及心，陣元坐標矩陣心及心分別表示陣元的X坐標及y 坐標，其中，Nx及Ny為大于1的整數，且Nx〈Lx/d T,，Ny〈Ly/dT,，設定稀布平面天線陣的優化數學 模型的約束條件為：稀布平面天線陣中任意兩個陣元之間的間距均大于等于閾值門限值 dT，dT大于等于陣元工作波長的1/2;
[0017] 3)構建向量映射函數T，并根據向量映射函數T對陣元坐標矩陣Χι中的每一行向量 進行映射處理，得到陣元X坐標矩陣X，其中，X = T (Χι);再根據向量映射函數T對陣元坐標矩 陣Υι中的每一列向量進行映射處理，得陣元y坐標矩陣Y，其中，Υ=Τ(Υι);
[0018] 4)將陣元選擇矩陣I和映射后的陣元坐標矩陣X及Υ代入稀布平面天線陣的優化數 學模型，計算稀布平面天線陣列在工作范圍內的最大峰值旁瓣電平PSLL;
[0019] 5)調整稀布平面天線陣列中各陣元的位置、沿X軸方向上的陣元數量為Νχ、以及沿 y軸方向上的陣元數量Ny，再重復步驟3)和4);
[0020] 6)重復步驟5)，得稀布平面天線陣列在工作范圍內的最大峰值旁瓣電平PSLL最小 時對應的稀布平面天線陣列中各陣元的位置、沿X軸方向上的陣元數量為N x、以及沿y軸方 向上的陣元數量Ny，完成移動衛星通信稀布平面天線陣列優化。
[0021 ]稀布平面天線陣的優化數學模型為：
[0024]其中，（UQ，VQ)為天線方向圖的主瓣方向，（u，v) e Sidelobe為天線方向圖的非主瓣 方向，I (mi，ni)-(m2，n2) |為陣元（mi，ni)與陣元（m2，n2)之間的歐氏距離δΕ，
,AF(u，v)為稀布平面陣列的 天線方向圖，其中，
[0026]其中，k = 2Ji/X 為自由空間波數，人為波長，[0，jt/2]，Φ e [0，jt/2]，u = sin9c〇s Φ及v = sin0sin<i)分別為天線波束掃描的方向余弦;Dxm,n及Dym,n分別為第(m，n)個陣元沿x 軸及y軸的坐標，Imn為矩陣I中第(m，n)個的元素，矩陣I為稀疏平面陣列的陣元選擇矩陣，當 11 111 = 0，則第(111，11)個陣元被去除，當111111=1，則保留第(111，11)個陣元。
[0027]陣元的初始坐標矩陣Xini&YiniS:
[0029] 向量映射函數T的定義如下所示：
[0030] 初始化陣元坐標矩陣〇^ = ￥11^，待處理矩陣1 = ￥1，計算5? = 1^-0-1)(11'，么!1 = 5?/ N，其中，L = Ly，N=Ny，將待處理矩陣W中的元素歸一化到[0, ΔΗ]范圍內，并用Wi+(i-l) ΔΗ 取代待處理矩陣W的第i行行向量wi，則陣元坐標矩陣Y=Dini+W。
[0031] 本發明具有以下有益效果：
[0032] 本發明所述的移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法在具體操作時，先建立稀 布平面天線陣的優化數學模型，再隨機產生Ny X Nx維的陣元選擇矩陣I以及陣元坐標矩陣心 及心，陣元坐標矩陣XlSYx*別表示陣元的X坐標及y坐標，并設定約束條件，然后構建向量 映射函數，對陣元坐標矩陣Χι中的每一行及陣元坐標矩陣Υι中的每一列進行映射處理，從而 使帶約束條件的稀布平面陣列優化問題轉變為非約束優化，避免優化過程中產生不可行解 的情況，極大的提高稀布平面陣列的優化效率，然后以稀布平面天線陣列在工作范圍內的 最大峰值旁瓣電平PSLL最小為目標，以稀布平面天線陣列中各陣元的位置、沿X軸方向上的 陣元數量為N x、以及沿y軸方向上的陣元數量Ny為自變量，求稀布平面天線陣的優化數學模 型，得移動衛星通信稀布平面天線陣列優化，操作簡單，能很大程度的降低陣元的數量，降 低稀布平面天線陣列的成本。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發明中移動衛星通信稀布平面天線陣的結構示意圖；
[0034] 圖2為本發明中稀布平板陣列上陣元的坐標系設定圖；
[0035]圖3為本發明的流程圖；
[0036] 圖4為采用本發明對稀布平面陣列的陣元數量和陣元間距進行優化后的陣元位置 示意圖；
[0037] 圖5為采用本發明對稀布平面陣列的陣元數量和陣元間距進行優化后的天線方向 圖。
[0038] 其中，1為信號收發端口、2為饋線系統、3為天線轉臺。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
[0040] 參考圖1，移動衛星通信稀布平面天線陣包括天線收發端口、稀布平板天線陣、用 于帶動所述稀布平板天線陣轉動的天線轉臺3、以及用于連接平板天線陣中的陣元與信號 收發端口 1的饋線系統2,稀布平板天線陣安裝固定于天線轉臺3上，天線轉臺3能夠帶動稀 布平板天線陣進行〇~360°方位、0~90°俯仰的連續轉動;饋電系統用于補償因陣元相對位 置差異導致的接收或發射信號的相位差。
[0041] 如圖2所示，稀布平板天線陣上的陣元在整個稀布平板天線陣上是連續、隨機分布 的，且任意兩個陣元之間的間距都大于等于預設門限值d T，所有陣元位置通過本發明所述 的優化方法確定。
[0042] 天線轉臺3的方位軸通過傳動機構與由伺服控制器進行控制的方位電機相接，伺 服控制器與主控制器相接，伺服控制器由主控制器進行控制，方位電機與伺服控制器相接， 且伺服控制器以機械掃描方式對稀布平板天線陣的方位方向進行控制。
[0043] 稀布平面天線陣的俯仰軸通過傳動機構與由伺服控制器進行控制的俯仰電機相 接，伺服控制器與主控制器相接，且伺服控制器由主控制器進行控制，俯仰電機與伺服控制 器相接，且所述伺服控制器以機械掃描方式對稀布平面天線陣的俯仰方向進行控制。
[0044] 參考圖3,本發明所述的移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法包括以下步驟：
[0045] 1)設稀布平面天線陣中的陣元位于xoy平面上，其中，沿X軸方向上陣元的數量為 Nx，沿y軸方向上陣元的數量為Ny，0及φ分別為天線波束的指向，建立稀布平面天線陣的優 化數學模型；
[0046] 2)設初始的陣元選擇矩陣I為所有元素全部為1的NyXNx維矩陣，得陣元的初始坐 標矩陣Χ ιηι及Υιηι，再根據稀布平面天線陣的幾何尺寸和天線的工作波長λ隨機產生NyXN x維 的陣元選擇矩陣I以及陣元坐標矩陣心及心，陣元坐標矩陣心及心分別表示陣元的X坐標及y 坐標，其中，Nx及Ny為大于1的整數，且Nx〈Lx/d T,，Ny〈Ly/dT,，設定稀布平面天線陣的優化數學 模型的約束條件為：稀布平面天線陣中任意兩個陣元之間的間距均大于等于閾值門限值 dT，dT大于等于陣元工作波長的1/2;
[0047] 3)構建向量映射函數T，并根據向量映射函數T對陣元坐標矩陣Χι中的每一行向量 進行映射處理，得到陣元X坐標矩陣X，其中，X = T (Χι);再根據向量映射函數T對陣元坐標矩 陣Υι中的每一列向量進行映射處理，得陣元y坐標矩陣Y，其中，Υ=Τ(Υι);
[0048] 4)將陣元選擇矩陣I和映射后的陣元坐標矩陣X及Υ代入稀布平面天線陣的優化數 學模型，計算稀布平面天線陣列在工作范圍內的最大峰值旁瓣電平PSLL;
[0049] 5)調整稀布平面天線陣列中各陣元的位置、沿X軸方向上的陣元數量為Νχ、以及沿 y軸方向上的陣元數量Ny，再重復步驟3)和4);
[0050] 6)重復步驟5)，得稀布平面天線陣列在工作范圍內的最大峰值旁瓣電平PSLL最小 時對應的稀布平面天線陣列中各陣元的位置、沿X軸方向上的陣元數量為N x、以及沿y軸方 向上的陣元數量Ny，完成移動衛星通信稀布平面天線陣列優化。
[0051] 其中，稀布平面天線陣的優化數學模型為：
[0054]其中，（UQ，VQ)為天線方向圖的主瓣方向，（u，v) e Sidelobe為天線方向圖的非主瓣 方向，I (mi，ni)-(m2，n2) |為陣元（mi，ni)與陣元（m2，n2)之間的歐氏距離δΕ，
，AF(u，v)為稀布平面陣列的 天線方向圖，其中，
[0056]其中，1? = 2π/λ 為自由空間波數，λ 為波長，[0，jt/2]，Φ e [0，jt/2]，u = sin9c〇s Φ及v = sin0sin<i)分別為天線波束掃描的方向余弦;Dxm,n及Dym,n分別為第(m，n)個陣元沿x 軸及y軸的坐標，Imn為矩陣I中第(m，n)個的元素，矩陣I為稀疏平面陣列的陣元選擇矩陣，當 11 111 = 0，則第(111，11)個陣元被去除，當111111=1，則保留第(111，11)個陣元。
[0057] 陣元的初始坐標矩陣Xini&YiniS:
[0059] 向量映射函數T的定義如下所示：
[0060] 初始化陣元坐標矩陣〇^ = ￥11^，待處理矩陣1 = ￥1，計算5? = 1^-0-1)(11'，么!1 = 5?/ N，其中，L = Ly，N=Ny，將待處理矩陣W中的元素歸一化到[0, ΔΗ]范圍內，并用Wi+(i-l) ΔΗ 取代待處理矩陣W的第i行行向量wi，則陣元坐標矩陣Y=Dini+W。
[0061 ] 實施例一
[0062] 本實施例中，考慮4.5λ X 4.5λ大小的二維矩形陣列，設置陣元最小間距dT = 0.5λ， 其可布的最大陣元數量為1 〇 x 10，稀布陣元數量Ny X Νχ=9 X 9，所述向量映射方法與差分進 化算法相結合。
[0063]優化結果的最佳陣元分布如圖4所示，"·"表示優化后該位置需要安置陣元，優化 后的矩形稀布平面陣列只有60個陣元，峰值旁瓣為-19.99dB;而均勻平面陣列所需陣元為 100個，峰值旁瓣為-12.96dB，優化后的稀布平面陣列陣元數量減小了 40%，且天線的峰值 旁瓣顯著降低，如圖5所示的優化后的稀布平面陣列天線方向圖。
[0064]以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明作任何限制，凡是根據本發明 技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變化，均仍屬于本發明技 術方案的保護范圍內。
【主權項】
1. 一種移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法，其特征在于，包括W下步驟： 1) 設稀布平面天線陣中的陣元位于xoy平面上，其中，沿X軸方向上陣元的數量為Nx，沿y 軸方向上陣元的數量為Ny，Θ及Φ分別為天線波束的指向，建立稀布平面天線陣的優化數學 模型； 2) 設初始的陣元選擇矩陣I為所有元素全部為1的NyXNx維矩陣，得陣元的初始坐標矩 陣Xini及Yini，再根據稀布平面天線陣的幾何尺寸和天線的工作波長λ隨機產生Ny X Nx維的陣 元選擇矩陣IW及陣元坐標矩陣Xi及Yi，陣元坐標矩陣Xi及Yi分別表示陣元的X坐標及y坐 標，其中，Nx及Ny為大于1的整數，且Nx<Lx/dT，，成<心/山，，設定稀布平面天線陣的優化數學模 型的約束條件為:稀布平面天線陣中任意兩個陣元之間的間距均大于等于闊值口限值山，山 大于等于陣元工作波長的1/2; 3) 構建向量映射函數T，并根據向量映射函數T對陣元坐標矩陣Xi中的每一行向量進行 映射處理，得到陣元X坐標矩陣X，其中，X=T(Xi);再根據向量映射函數T對陣元坐標矩陣Yi 中的每一列向量進行映射處理，得陣元y坐標矩陣Y，其中，Υ=Τ(Υι); 4) 將陣元選擇矩陣I和映射后的陣元坐標矩陣X及Υ代入稀布平面天線陣的優化數學模 型，計算稀布平面天線陣列在工作范圍內的最大峰值旁瓣電平PS化； 5) 調整稀布平面天線陣列中各陣元的位置、沿X軸方向上的陣元數量為Nx、W及沿y軸方 向上的陣元數量Ny，再重復步驟3)和4); 6) 重復步驟5)，得稀布平面天線陣列在工作范圍內的最大峰值旁瓣電平PS化最小時對 應的稀布平面天線陣列中各陣元的位置、沿X軸方向上的陣元數量為Nx、W及沿y軸方向上 的陣元數量Ny，完成移動衛星通信稀布平面天線陣列優化。2. 根據權利要求1所述的移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法，其特征在于， 稀布平面天線陣的優化數學模型為：'r 其中，（u〇,vo)為天線方向圖的主瓣方向，（u,v) esidelobe為天線方向圖的非主瓣方 向，I (mi,ni)-(m2，n2) I為陣元（mi,ni)與陣元（π?2，η2)之間的歐氏距離Se，F(u，v)為稀布平面陣列的 天線方向圖，其中，其中，k = 2JTA為自由空間波數，λ為波長，目e [0，jt/2]，Φ e [〇，jt/2]，u = sin目cos<!)及V = sin0sin<!)分別為天線波束掃描的方向余弦;Dxm,n及Dym,n分別為第(m，n)個陣元沿X軸及y 軸的坐標，Imn為矩陣I中第(m，n)個的元素，矩陣I為稀疏平面陣列的陣元選擇矩陣，當Imn = 〇，則第(111，]1)個陣元被去除，當1皿=1，則保留第(1]1，]1)個陣元。3. 根據權利要求1所述的移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法，其特征在于，陣元 的初始坐標矩陣Xini及Yini為：4. 根據權利要求1所述的移動衛星通信稀布平面天線陣列優化方法，其特征在于，向量 映射函數T的定義如下所示： 初始化陣元坐標矩陣Dini = Yini，待處理矩陣W = Yl，計算SP = レ(N-l)dτ，AH = SP/N，其 中，L = ^，N=Ny，將待處理矩陣W中的元素歸一化到[0, AH]范圍內，并用wi+(i-l) ΔΗ取代 待處理矩陣W的第i行行向量Wi，則陣元坐標矩陣Y = Dini+W。
【文檔編號】H01Q21/00GK106096218SQ201610755904
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月29日
【發明人】賈維敏, 張峰干, 金偉, 侯榜煥, 陳富, 周淑華
【申請人】中國人民解放軍火箭軍工程大學