本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，主要是涉及面是針對特殊陣列的半球型覆蓋波束成形技術(shù)。

背景技術(shù)：

陣列對信號進行處理在現(xiàn)代通信中具有很好的應(yīng)用前景，并且在近些年中得到了迅猛的發(fā)展。隨著人們對通信系統(tǒng)的容量和質(zhì)量的不斷提出更高的標準，普通的通訊天線已經(jīng)不能完全滿足越來越高的性能指標要求。因此，這就要求我們有必要采取一些技術(shù)手段和方法將天線其他的潛能全部發(fā)掘，從而形成滿足現(xiàn)代通信需求的天線系統(tǒng)。那么為了滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對容量和質(zhì)量不斷提高的要求，陣列天線的設(shè)計也就成為了一種流行的方法。由于通訊需求的不同，那么就需要不同形狀的陣列結(jié)構(gòu)來滿足不同的波束覆蓋形式。我們知道圓錐或圓環(huán)陣等共形陣具有360方位角度的覆蓋能力，它們可以形成一個全向的波束、多個波束或是一個窄波束并且都可以被導向360方位角度。并且能實現(xiàn)半球覆蓋陣列天線系統(tǒng)在移動通信基站天線的應(yīng)用中將日益凸顯它的魅力。另外，一些通信衛(wèi)星也開始采用共形陣作為天線。

其次我們也可以通過利用陣列天線對非合作的機構(gòu)的照射源來進行探測和追蹤，同時由于無源定位目標在技術(shù)上具有隱蔽性、反隱身和低空探測性能方面的較強優(yōu)勢，那么通過該技術(shù)就可以探測到具有更小雷達散射截面(RCS)的目標，并且因為該系統(tǒng)體積小，產(chǎn)生費用低，所以近年來受到廣泛的關(guān)注。

自適應(yīng)陣列技術(shù)的主要工作就是為了得到理想的陣列方向圖。陣列方向圖綜合方法大致可分為兩類：傳統(tǒng)的陣列綜合方法和智能天線算法綜合方法。直線陣列是一種比較簡單并且是已經(jīng)有著極為成熟的天線陣列綜合方法的天線陣列形式。一般來說，在陣元數(shù)及陣元間距確定的情況下，通過對幅度相位權(quán)值的求解來實現(xiàn)方向圖的綜合的方法對于均勻線陣來說是主要的研究問題。此外還有對于非均勻線陣方向圖綜合問題的研究問題是可以通過對陣列稀疏和稀布問題的研究來加以解決的。比如窗函數(shù)法、Chebychev綜合方法，Taylor綜合方法，Woodward方法，根匹配綜合法，伯恩斯坦多項式逼近綜合法等。窗函數(shù)加權(quán)法是利用傅里葉變換的性質(zhì)來控制旁瓣電平幅度大小。Chebychev綜合方法是Dolph等基于Chebychev多項式的性質(zhì)提出的。在Dolph的工作中，他說明了Chebychev多項式的最優(yōu)性。在這里，最優(yōu)的陣列方向圖是指具有在給定旁瓣電平的最小零點-零點波束寬度。隨后Riblet給出了Riblet-Chebychev加權(quán)的方法。而Riblet-Chebychev加權(quán)的方法在陣元間距小于半個信號波長時可以獲得具有更小的波束寬度的陣列方向圖。兩者的相同點是其陣列方向圖的旁瓣電平均是相同的。然而很多應(yīng)用當中，我們并不希望陣列輻射能量浪費在感興趣區(qū)域的邊緣或感興趣區(qū)域之外的區(qū)域，因此希望旁瓣電平是衰減的。在1953年，Taylor提出了一種技術(shù)，可以約束最大的旁瓣電平，并使外旁瓣逐漸衰減。這個技術(shù)最先是針對線性孔徑提出的，可以利用孔徑加權(quán)采樣或根值匹配的方法將其應(yīng)用于線性陣列上。1984年，Villeneuve開發(fā)了一個用于離散陣列的技術(shù)。這一技術(shù)將均勻加權(quán)和Chebychev加權(quán)進行了很好的組合。無論是Taylor加權(quán)還是Villeneuve加權(quán)，只有在陣元數(shù)較大時，才有明顯的效果。Woodward方法是基于在波束響應(yīng)和孔徑加權(quán)之間的傅里葉變換的關(guān)系得到的。當陣列方向圖已知時，可以根據(jù)此方法通過采樣來得到對應(yīng)的幅度權(quán)值。利用最小二乘來逼近理想方向圖的方法也可以在已知陣列方向圖的情況下得到對應(yīng)的陣元激勵值。當理想的陣列方向圖的主波束為平頂時，使用最小二乘方法會在不連續(xù)的地方有上沖振蕩的情況，可以通過加窗銳化來減輕振蕩。Parks和Mc-Clellan通過將最大最小設(shè)計問題轉(zhuǎn)換成多項式逼近問題的方法研究了關(guān)于最大最小數(shù)字濾波器的設(shè)計問題，其內(nèi)容非常通用，通過交替定理得到了最終較理想的結(jié)果，這種方法也完全可以用在天線陣列的綜合上。所謂根匹配綜合法是指根據(jù)預期方向圖的零點求出個單元激勵幅度的方法，實質(zhì)上就是我們已經(jīng)了解的謝坤諾夫單位元方法。它與伍德沃德-勞森抽樣綜合法類似，也是直接從指定的預期方向圖上抽樣綜合線陣的各單元激勵系數(shù)，而不是從綜合所得的連續(xù)線源分布上抽樣獲得的離散化的激勵系數(shù)。伯恩斯坦多項式逼近綜合方法可以自動滿足可實現(xiàn)條件，因而不需要對結(jié)果進行修正。

對于陣列來說，1936年Chireix分析研究了一個由偶極子作為單元排列成的圓環(huán)陣列，之后又相繼發(fā)表了一些關(guān)于這個課題的研究性文章。之所以這個圓環(huán)陣列會受到如此廣泛的關(guān)注，其原因是這個結(jié)構(gòu)是旋轉(zhuǎn)對稱的，通過控制相位，進而可以產(chǎn)生一個具有360度掃描角的定向輻射。全向單元組成的空間曲面陣，在形式上和共形圓環(huán)陣是相似的，因此，在研究中，通常把這種空間曲面圓環(huán)陣也歸屬于共形陣列。

在衛(wèi)星通信以及航空航天系統(tǒng)中，大多數(shù)飛行器一般是錐體結(jié)構(gòu)，因此，要廣泛地應(yīng)用到錐面共形陣列天線

相控陣的半球面圓極化掃描在雷達應(yīng)用領(lǐng)域非常重要，而球面陣列能夠滿足大角度范圍掃描。并且，球面陣列可以方便地在不同衛(wèi)星間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。通常常見的球面共形微帶陣列是球面矩形微帶天線陣、球面圓形微帶天線陣和球面圓環(huán)微帶天線陣。

相控陣天線技術(shù)由于具有靈活的波束對準和跟蹤能力廣泛應(yīng)用于通信和雷達，而波束成形是陣列信號處理中的關(guān)鍵技術(shù)，其主要目的為：抑制空間干擾與環(huán)境噪聲，提高信噪比；形成基陣接收系統(tǒng)的方向性，進行空域濾波；另外也可以用來估計信號來波方向(Direction-of-arrival,DOA)或為其估計提供預處理等。數(shù)字波束成形的實質(zhì)是一個空間濾波器，其加權(quán)值決定了其空間濾波的特性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服傳統(tǒng)均勻圓陣在俯仰角方向的角度模糊現(xiàn)象和滿足我們對波束成形的需求，本發(fā)明提出了一種針對半球覆蓋波束成形的陣列設(shè)計方法，將原來固定為豎直的陣元沿半徑方向傾斜、使波束成形的方向圖在傾斜角上不產(chǎn)生角度模糊。

為了方便地描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先對本發(fā)明中所使用的概念和術(shù)語進行定義：

俯仰角：入射方向與陣元所在平面的夾角的余角。

一種針對半球覆蓋波束成形的陣列設(shè)計方法，具體為：

由24個6元子陣組成錐臺共形陣，天線在水平面360度范圍內(nèi)全向覆蓋，在俯仰角0°-62.3°范圍內(nèi)覆蓋。

本發(fā)明的有益效果是：

在進行通信的過程中實現(xiàn)低成本，準確的半球型覆蓋波束成形，并且滿足了系統(tǒng)的性能需求，又遠比平面陣或曲面等共形相控陣結(jié)構(gòu)簡單，具有創(chuàng)新性。

附圖說明

圖1為天線增益極坐標與直角坐標圖。

圖2為陣列擺放規(guī)則。

圖3為改進后波束成形針對俯仰角的直角坐標圖。

圖4為本發(fā)明采用的陣元。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖，詳細說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

對采集的信號進行DOA估計，用估計的方向?qū)γ總€陣元的權(quán)值進行計算得到相應(yīng)數(shù)值，再通過該陣列對信號進行波束成形，產(chǎn)生符合條件的信號。

主要技術(shù)指標：

工作頻點：4400MHz～5000MHz；

帶寬：50MHz；

雙工方式：TDD；

天線總覆蓋：水平360°，垂直-10°到+90°；

天線增益：單倍；

極化方式：右旋圓極化；

軸比：波束內(nèi)≤3dB；

3dB波瓣寬度：≤30°；

旁瓣抑制：≥15dB；

陣元數(shù)目：≤25個；

鄰居發(fā)現(xiàn)時間：≤100ms

波束對準時間：≤5μs。

最大節(jié)點數(shù)量：16節(jié)點。