本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線波束控制
技術領域：
，涉及一種基于接收信號功率最大化的多子陣天線波束切換方法。
背景技術：
：隨著時代進步、科技發(fā)展，衛(wèi)星通信技術在軍民領域得到了廣泛的應用，動中通衛(wèi)星通信技術已經(jīng)成為一種實現(xiàn)寬帶移動通信的有效手段，在突發(fā)公共事件處理、應急指揮、信息實時傳遞等領域發(fā)揮著重要作用。多子陣技術可以有效地降低天線高度和系統(tǒng)造價，同時兼顧了天線性能，是目前低輪廓天線最常用的方法。多子陣相控陣天線在接收衛(wèi)星信號時往往需要同時接收信標與載波，且兩者的頻率差距可能較大，甚至可能達到Ku接收頻段的最大跨度，即500MHz。而在發(fā)射信號時，一般不可能達到如此高的頻率寬度，因此，可以認為多子陣相控陣天線在接收時的帶寬要求比發(fā)射時的高。對于接收天線而言，衡量其接收性能的重要標準是接收信號功率。多子陣相控陣天線的波束寬度在其掃描范圍內是不同的，在高仰角時主瓣最窄。這意味著高仰角時對天線波束指向偏差的容忍度低，即在相同的指向偏差角下，高仰角時的接收信號功率下降值較多。在相同的接收信號功率下降值條件下，頻率較低時所能容忍的指向偏差角比較高頻率時的大。多子陣天線在采用低頻率通信時的波束主瓣寬度要大于采用高頻率通信時的主瓣寬度。在相控陣天線的饋電網(wǎng)絡中，最重要的移相設備主要是移相器和延遲線。其中移相器的相移值與信號頻率無關，信號頻率變化會導致天線波束指向發(fā)生偏移，進而導致信號接收功率下降。延遲線又稱延遲器，具有群延時相同的特點，當采用實時延遲器補償空間波程差時，雖然可以有效提高天線帶寬，但其價格十分昂貴。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種基于接收信號功率最大化的多子陣天線波束切換方法，該方法通過延遲線對時延誤差進行補償，抑制頻率改變造成的天線接收信號功率下降問題，并且成本低。為達到上述目的，本發(fā)明所述的基于接收信號功率最大化的多子陣天線波束切換方法包括以下步驟：1)多子陣天線的接收信號的頻率從f0變?yōu)閒1時，建立多子陣相控陣天線的陣因子方向圖模型2)當多子陣相控陣天線的陣因子均勻照射時，以多子陣相控陣天線中最后一個子陣作為相位基準時，得子陣相控陣天線的陣因子方向圖在目標衛(wèi)星方向的接收信號強度g(0,0,α,f1)，再計算陣因子的接收信號的功率P(α,f1)＝g(0,0,α,f1)2；3)采用單套延遲線進行饋電網(wǎng)絡設計，得移相器需要補償?shù)南辔沪祋(α,f0,Lq)，其中，Lq為各子陣延遲線的長度，再計算延遲線補償后的接收信號的功率為P(α,f1,L)，然后以延遲線補償后的接收信號的功率P(α,f1,L)最大為目標、以各子陣延遲線的長度為變量建立優(yōu)化模型maxS，然后求解所述優(yōu)化模型maxS，得各子陣延遲線的長度Lq及延遲線補償時對應的對星仰角β；4)將多子陣天線掃描范圍劃分為p個區(qū)域，分區(qū)節(jié)點的仰角為α1、α2，…，αp+1，α1＝αmin，αp+1＝αmax，αn<αn+1，1≤n≤p，則第n個區(qū)域Sn＝[αn,αn+1],1≤n≤p，設在Sn區(qū)域內通過延遲線正好補償對星仰角為βn時子陣產(chǎn)生的衛(wèi)星信號波長差，建立分區(qū)后的優(yōu)化目標函數(shù)，然后求解分區(qū)后的優(yōu)化目標函數(shù)，得各分區(qū)節(jié)點仰角αn的值，然后將根據(jù)各子陣延遲線的長度Lq、延遲線補償時對應的對星仰角β以及分區(qū)節(jié)點仰角αn的值進行多子陣天線波束切換。步驟1)中多子陣相控陣天線的接收信號頻率從f0變?yōu)閒1時，多子陣相控陣天線的陣因子方向圖模型為：其中，k0＝2π/λ0＝2πf0/c，Q為子陣數(shù)量，Φq為第q子陣的移相值，且為在頻率f1的條件下第q子陣與第Q子陣的空間相位差，其中，其中，di為子陣間隔，k1＝2πf1/c。步驟2)中當多子陣相控陣天線的陣因子均勻照射時，即cq＝1(q＝1,2,…,Q)，以多子陣相控陣天線中第Q個子陣作為相位基準時，多子陣相控陣天線的陣因子方向圖在目標衛(wèi)星方向的接收信號強度g(0,0,α,f1)為：g(0,0,α,f1)=Σq=1Q-1exp(j((k0-k1)cosα·Σi=qQ-1di))+1---(3)]]>多子陣相控陣天線的陣因子的接收信號的功率P(α,f1)＝g(0,0,α,f1)2，即P(α,f1)=(Σq=1Q-1cos((k0-k1)cosα·Σi=qQ-1di)+1)2+(Σq=1Q-1sin((k0-k1)cosα·Σi=qQ-1di))2---(4).]]>步驟3)中采用單套延遲線進行饋電網(wǎng)絡設計，則移相器需要補償?shù)南辔沪祋(α,f0,Lq)為：Φq(α,f0,Lq)=φq(0,0,α,f0)-k0Lqϵr=k0(cosα·Σi=qQ-1di-Lqϵr)---(5)]]>其中，εr為延遲線的相對介電常數(shù)，Lq為各子陣延遲線的長度，則通過延遲線補償后的接收信號的功率P(α,f1,L)為：P(α,f1,L)=g(0,0,α,f1,L)2=(Σq=1Q-1cos((k0-k1)(cosα·Σi=qQ-1di-Lqϵr))+1)2+(Σq=1Q-1sin((k0-k1)(cosα·Σi=qQ-1di-Lqϵr)))2---(6)]]>以延遲線補償后的接收信號的功率P(α,f1,L)最大為目標、以各子陣延遲線的長度為變量建立優(yōu)化模型maxS為：maxS=minα∈[αmin,αmax](P(α,f1,L))---(7)]]>對式(6)進行求導，令P(αmin,f1,ΔL)＝P(αmax,f1,ΔL)，則有：ΔL=d2ϵr(cosαmin+cosαmax)---(8)]]>Lq=(Q-q)d2ϵr(cosαmin+cosαmax),q=1,2,...,Q---(9)]]>ΔL為相鄰延遲線長度之差，設此時延遲線長度正好補償對星仰角為β時子陣間的衛(wèi)星信號波程差，則有步驟4)中設在Sn區(qū)域內通過延遲線正好補償對星仰角為βn時子陣產(chǎn)生的衛(wèi)星信號波長差，則該分區(qū)內相鄰子陣的延遲線長度差建立分區(qū)后的優(yōu)化目標函數(shù)為：maxS＝min{P(α1,f1,ΔL1),P(α2,f1,ΔL2),…,P(αp,f1,ΔLp)}(10)令P(α1,f1,ΔL1)＝P(αn,f1,ΔLn),2≤n≤p，得：cosαn=cosαmin-(n-1)cosαmin-cosαmaxp,1≤n≤p+1---(11)]]>求解式(11)，得分區(qū)節(jié)點仰角αn的值。本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明所述的基于接收信號功率最大化的多子陣天線波束切換方法通過延遲線補充相位差的原理抑制頻率改變造成的天線接收信號功率下降問題，具體的，以延遲線補充后接收信號的功率最大為目標、以各子陣延遲線的長度為變量建立優(yōu)化模型，再求解該優(yōu)化模型，得各子陣延遲線的長度及延遲線補償時對應的對星仰角，然后再求解各分區(qū)節(jié)點仰角的值，最后根據(jù)各子陣延遲線的長度、延遲線補償時對應的對星仰角及各分區(qū)節(jié)點仰角的值進行多子陣天線波束切換，方法原理較為清晰，工程上易于實現(xiàn)，成本較低，可以根據(jù)實際需要靈活掌握延遲線的套數(shù)，達到精確補充相位差的目的，達到改善相控陣天線接收信號功率頻率響應的目的，能夠有效的促進動中通的推廣及應用，可以移植到其他相控陣天線中，具有良好的應用前景。附圖說明圖1為本發(fā)明中利用延遲線進行二級相位補償?shù)慕Y構示意圖；圖2為本發(fā)明中采用多套延遲線時天線掃描范圍劃分示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：參考圖1，本發(fā)明所述的基于接收信號功率最大化的多子陣天線波束切換方法包括以下步驟：1)多子陣天線的接收信號的頻率從f0變?yōu)閒1時，建立多子陣相控陣天線的陣因子方向圖模型2)當多子陣相控陣天線的陣因子均勻照射時，以多子陣相控陣天線中最后一個子陣作為相位基準時，得子陣相控陣天線的陣因子方向圖在目標衛(wèi)星方向的接收信號強度g(0,0,α,f1)，再計算陣因子的接收信號的功率P(α,f1)＝g(0,0,α,f1)2；3)采用單套延遲線進行饋電網(wǎng)絡設計，得移相器需要補償?shù)南辔沪祋(α,f0,Lq)，其中，Lq為各子陣延遲線的長度，再計算延遲線補償后的接收信號的功率為P(α,f1,L)，然后以延遲線補償后的接收信號的功率P(α,f1,L)最大為目標、以各子陣延遲線的長度為變量建立優(yōu)化模型maxS，然后求解所述優(yōu)化模型maxS，得各子陣延遲線的長度Lq及延遲線補償時對應的對星仰角β；4)將多子陣天線掃描范圍劃分為p個區(qū)域，分區(qū)節(jié)點的仰角為α1、α2，…，αp+1，α1＝αmin，αp+1＝αmax，αn<αn+1，1≤n≤p，則第n個區(qū)域Sn＝[αn,αn+1],1≤n≤p，設在Sn區(qū)域內通過延遲線正好補償對星仰角為βn時子陣產(chǎn)生的衛(wèi)星信號波長差，建立分區(qū)后的優(yōu)化目標函數(shù)，然后求解分區(qū)后的優(yōu)化目標函數(shù)，得各分區(qū)節(jié)點仰角αn的值，然后將根據(jù)各子陣延遲線的長度Lq、延遲線補償時對應的對星仰角β以及分區(qū)節(jié)點仰角αn的值進行多子陣天線波束切換。步驟1)中多子陣相控陣天線的接收信號頻率從f0變?yōu)閒1時，多子陣相控陣天線的陣因子方向圖模型為：其中，k0＝2π/λ0＝2πf0/c，Q為子陣數(shù)量，Φq為第q子陣的移相值，且為在頻率f1的條件下第q子陣與第Q子陣的空間相位差，其中，其中，di為子陣間隔，k1＝2πf1/c。步驟2)中當多子陣相控陣天線的陣因子均勻照射時，即cq＝1(q＝1,2,…,Q)，以多子陣相控陣天線中第Q個子陣作為相位基準時，多子陣相控陣天線的陣因子方向圖在目標衛(wèi)星方向的接收信號強度g(0,0,α,f1)為：g(0,0,α,f1)=Σq=1Q-1exp(j((k0-k1)cosα·Σi=qQ-1di))+1---(3)]]>多子陣相控陣天線的陣因子的接收信號的功率P(α,f1)＝g(0,0,α,f1)2，即P(α,f1)=(Σq=1Q-1cos((k0-k1)cosα·Σi=qQ-1di)+1)2+(Σq=1Q-1sin((k0-k1)cosα·Σi=qQ-1di))2---(4).]]>步驟3)中采用單套延遲線進行饋電網(wǎng)絡設計，則移相器需要補償?shù)南辔沪祋(α,f0,Lq)為：Φq(α,f0,Lq)=φq(0,0,α,f0)-k0Lqϵr=k0(cosα·Σi=qQ-1di-Lqϵr)---(5)]]>其中，εr為延遲線的相對介電常數(shù)，Lq為各子陣延遲線的長度，則通過延遲線補償后的接收信號的功率P(α,f1,L)為：P(α,f1,L)=g(0,0,α,f1,L)2=(Σq=1Q-1cos((k0-k1)(cosα·Σi=qQ-1di-Lqϵr))+1)2+(Σq=1Q-1sin((k0-k1)(cosα·Σi=qQ-1di-Lqϵr)))2---(6)]]>以延遲線補償后的接收信號的功率P(α,f1,L)最大為目標、以各子陣延遲線的長度為變量建立優(yōu)化模型maxS為：maxS=minα∈[αmin,αmax](P(α,f1,L))---(7)]]>對式(6)進行求導，令P(αmin,f1,ΔL)＝P(αmax,f1,ΔL)，則有：ΔL=d2ϵr(cosαmin+cosαmax)---(8)]]>Lq=(Q-q)d2ϵr(cosαmin+cosαmax),q=1,2,...,Q---(9)]]>ΔL為相鄰延遲線長度之差，設此時延遲線長度正好補償對星仰角為β時子陣間的衛(wèi)星信號波程差，則有步驟4)中設在Sn區(qū)域內通過延遲線正好補償對星仰角為βn時子陣產(chǎn)生的衛(wèi)星信號波長差，則該分區(qū)內相鄰子陣的延遲線長度差建立分區(qū)后的優(yōu)化目標函數(shù)為：maxS＝min{P(α1,f1,ΔL1),P(α2,f1,ΔL2),…,P(αp,f1,ΔLp)}(10)令P(α1,f1,ΔL1)＝P(αn,f1,ΔLn),2≤n≤p，得：cosαn=cosαmin-(n-1)cosαmin-cosαmaxp,1≤n≤p+1---(11)]]>求解式(11)，得分區(qū)節(jié)點仰角αn的值。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)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(fā)明技術方案的保護范圍內。當前第1頁1 2 3