[发明专利]一种基于线性规划的阵列天线宽波束增益优化方法

说明书

本发明提供一种基于线性规划的阵列天线宽波束增益优化方法，以阵列天线的功率增益为代价函数，构建以阵列权系数为变量的线性规划问题，直接求解阵列权系数，通过阵列单元的优化加权，实现阵列天线宽波束增益优化。相比较于传统以天线方向图为代价函数的方法，本发明提高宽主瓣内的最小增益值，从而在宽主瓣波束范围内，得到比传统方法更高的阵列天线的增益。

技术领域

本发明涉及微波技术，特别涉及阵列天线宽波束增益优化技术。

背景技术

利用移动载体平台上的接收天线对卫星信号进行移动接收时，由于远距离传播，卫星信号到达接收前端时，强度极其微弱，这要求接收天线必须具备一定的增益。同时，考虑到载体的随机移动特性，要求天线具有一定的波束宽度。因此，为了实现移动天线对卫星信号的良好接收，天线应当具备一定的宽度并具有一定的增益。同时，为了保证在整个宽波束内对卫星信号的可靠接收，需要尽可能得提高天线整个宽主瓣波束内的增益，尽量最大化天线在主瓣波束内的最小增益，即本文提到的最小增益最大化。为了利用阵列天线合成具有最大化的最小增益的主瓣宽波束，当前主要是通过方向图合成，即波束赋形(shapedbeam pattern synthesis，简写为SBPS问题)来解决。此类方法主要分为两个步骤：1.以阵列天线的方向图为代价函数，通过阵列权系数的优化加权获得阵列天线的平顶方向图；2.在此基础上，获得天线的增益。

以线阵列天线为例，平面阵列天线的理论过程以此类推。假定天线具有任意分布特性的N个阵元(均匀的或非均匀均可)，则阵列天线在接收信号时，阵列天线的合成电场强度可以描述为：

其中w_n、a_n(θ)和E_n(θ)分别为第n的阵元因子的复加权系数(权系数)、阵元因子以及远场电场强度；波束方向θ∈[0°,180°]。

对上式进行向量化处理，得到：

E_syn(θ)＝w^Ha(θ) (2)

其中复加权系数向量阵元向量a(θ)＝[a₁(θ) E₁(θ) …a_N(θ) E_N(θ)]^H，H表示矩阵的共轭转置。

阵列天线的合成波束f_w(θ)可以表示为：

f_w(θ)＝c|E_syn(θ)|＝c|w^Ha(θ)| (3)

其中，c是与天线阵元以及电磁波相关的系数，不影响合成效果。E_syn(θ)表示阵列的合成电场强度。通常情况下，阵列天线的阵元具有相同辐射特性，因此，远场电场强度E_n(θ)可以放入系数中，此时阵元因子向量a(θ)＝[a₁(θ) … a_N(θ)]^H是只与阵元因子有关的系数，天线的方向性系数D(θ)可以表示为：

其中，矩阵A_θ＝a(θ)a^H(θ)，矩阵表示方位角。给定阵列天线的阵元和形式后，矩阵A是已知数。

根据天线原理，天线的增益G(θ)可以表示为：G(θ)＝η_aD(θ)，η_a表示天线的辐射效率，由天线的硬件设计决定，同时忽略阵列单元间的互耦影响，则η_a与阵元因子的权系数w无关。优化天线增益和优化天线方向性系数D(θ)是等价的。

现有的基于求解SBPS问题的天线增益优化方法的步骤为：