本发明涉及微波电磁场技术中的天线技术领域，尤其涉及一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与三维多波束形成方法。
背景技术：
天线阵列已经广泛应用在5g通信、车载智能驾驶、目标识别等领域。天线阵列可以显著提高天线总体增益，使得探测距离显著提升；同时，合理设置天线阵列的激励幅度和相位，可以获得多个天线波瓣，从而实现天线对多目标的探测识别；另外，通过不同时刻施加不同天线阵列幅度和相位激励，可以完成天线阵列波束在空间的扫描，而不必通过改变天线阵列位置来完成空间扫描。在5g通信、车载智能驾驶、目标识别等领域，天线方向图的主瓣和旁瓣增益直接影响整个系统的信噪比、信号传输误码率等，因此在天线阵列设计过程中，除了关注主瓣增益外，主瓣和旁瓣的增益差值也是一个重要的设计参数。同时，现代通信领域面临在同一个区域多终端用户存在，因此天线阵列多波束指向不同用户具有实际应用需求。
对天线方向图而言，主旁瓣抑制比(主瓣增益和最大旁瓣增益比值)，以及天线阵列多波束控制形成，是天线阵列设计的重要内容，对于5g通信、车载智能驾驶、目标识别等技术的提升具有显著意义。
技术实现要素：
本发明针对现代通信领域传输高信噪比、面向多终端的需求，提出天线阵列旁瓣增益抑制方法和二、三维多波束形成方法，提高了天线阵列主瓣和旁瓣增益的差值，形成了满足主旁瓣抑制比的天线多波束，准确控制了天线阵列的三维方向图，并可完成天线多波束的空间扫描。该方向可对任意二维天线阵列开展三维方向图设计与控制。
为了达到上述目的，本发明提供一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，包含以下步骤：
步骤一：对于一定数量l任意排列的天线阵列，在极坐标下，设定天线方向图扫描角度范围、主旁瓣抑制比以及主瓣方向角度，迭代获得满足主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子；其中，迭代的方法具体为：基于自适应原理，保持主瓣方向不变，以主旁瓣抑制比为目标，不断迭代计算天线方向图，直至获得的天线方向图中主瓣和所有旁瓣的主旁瓣抑制比满足设定值，获得的天线方向图中对应的天线阵列复数权重因子即为满足主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子。其中，迭代时，采用最小误差法保证相邻两次迭代的天线方向图中除对应的最大旁瓣对应点之外的所有点之间差异最小。
步骤二：按照空间扫描角范围与时间对应顺序，依次按照步骤一方法迭代获得一组时间相关的天线阵列复数权重因子序列，将天线阵列复数权重因子序列输入到天线阵列中作为激励，形成不同时刻不同的天线波束角度，实现波束空间扫描。
进一步地，通过设定天线阵列排布、天线方向图扫描角度范围和主瓣方向角度实现多种波束的形成，包括：
二维单一波束：天线阵列为线阵，天线方向图扫描角度范围为二维；主瓣方向角度为单一角度。
二维多波束：天线阵列为线阵，天线方向图扫描角度范围为二维；主瓣方向角度为多个角度。
三维单一波束：天线阵列为面阵，天线方向图扫描角度范围为三维；主瓣方向角度为单一角度。
三维多波束：天线阵列为面阵，天线方向图扫描角度范围为三维；主瓣方向角度为多个角度。
进一步地，所述二维多波束形成时，采用多重迭代，具体为：
对每个主瓣方向角度对应的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得n个满足特定主旁瓣抑制比ri(i＝2,3...n)和主瓣方向角度mi(i＝2,3...n)的天线阵列复数权重因子wi(i＝2,3...n)。n为主瓣方向角度个数。
计算综合权重因子：ws1＝(w1 w2 ...... wn)/n。
基于综合权重因子，计算多主瓣二维天线方向图，重新设定主旁瓣抑制比，迭代计算获得满足要求的天线阵列复数权重因子ws。
基于ws1计算得到的天线方向图具有n个主瓣。n个主瓣的增益相等，而主瓣与最大旁瓣的主旁瓣抑制比会下降，因此需要按照步骤一的方法合理设定新的主旁瓣抑制比rf，例如n＝1时的主旁瓣抑制比会比n＝2时的主旁瓣抑制比大约大1倍，通常重新设定主旁瓣抑制比rf＜ri(i＝2,3...n)。按照新的主旁瓣抑制比进行迭代并，最终获得n个主波束和满足该设定主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子ws，以及天线阵列二维多波束方向图。
进一步地，所述三维单一波束形成时，将三维天线方向图分解成二维天线方向图进行迭代，具体为：
采用e/h面分解与旋转，确定三维天线方向图中2个二维扫描角度范围ange1和angh1。
分别对ange1和angh1对应的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得e/h面方向的天线阵列复数权重因子we1和wh1。
通过复数域的权重因子叠加获得综合权重因子weh1，weh1＝(we1 wh1)/2。
进一步地，所述三维多波束形成时，将三维天线方向图分解成2n个单一主瓣二维天线方向图并进行多重迭代，n为主瓣方向角度个数。具体为：
采用e/h面分解与旋转，确定三维天线方向图中2组不同主瓣方向角度下的二维扫描角度范围angei和anghi。
分别对每个二维扫描角度范围、每个主瓣方向角度下的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得n组满足特定主旁瓣抑制比ri(i＝2,3...n)和主瓣方向角度θmi,
采用复数域的权重因子叠加获得综合权重因子wehs1，wehs1＝(weh1 weh2 ...... wehn)/n。
基于综合权重因子wehs1，计算在各组扫描角度范围下的三维天线方向图，通常会除了n个主瓣波束外，还会有多个具有较高增益的旁瓣，使得主旁瓣抑制比低于设定值。因此，在俯仰角θ取值0°～90°，方位角
同样地，基于wehs1计算得到的三维天线方向图具有n个主瓣。n个主瓣的增益相等，而主瓣与最大旁瓣主旁瓣抑制比会下降，因此，通常重新设定主旁瓣抑制比rf＜ri(i＝2,3...n)。
进一步地，在极坐标中确定了主瓣方向角度
(1)对于e面分解和旋转，xoz平面围绕x轴旋转，使得旋转平面经过点
(2)对于h面分解和旋转，yoz平面围绕y轴旋转，使得旋转平面经过点
进一步地，所述的天线阵列在xy平面上，天线方向图计算方法为天线阵列单元的方向图配合天线阵列单元的空间位置，再结合复数权重因子得到，具体为：
其中gk(θ,ψ)(k＝1,2...l)是l个天线阵列单元极坐标下的方向图，xk、yk(k＝1,2...l)是l个天线阵列单元的位置，w1是天线阵列复数权重因子，表示激励的幅度和相位信息，λ是天线工作波长，θ,ψ分别为俯仰角和方位角，根据设定的扫描角度范围确定，j为虚数。对天线方向图采用归一化处理，二维方向图中的主瓣增益为：abs(f(θm,ψm))，最大旁瓣增益为：abs(f(θs,ψs))，则主旁瓣抑制比r1＝abs(f(θm,ψm))/abs(f(θs,ψs))。θm,ψm为主瓣对应的俯仰角和方位角，θs,ψs为最大旁瓣对应的俯仰角和方位角。通过迭代调整w1，可以满足主旁瓣抑制比达到r1；实际过程中有多组天线阵列复数权重因子满足要求，选取对应的复数权重因子w1来满足要求，选择的依据是相邻两次迭代的f(θ,ψ)差异最小，即
本发明所述任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，该方法基于自适应原理，设定天线方向图主瓣方向和主旁瓣抑制比(主瓣增益和最大旁瓣增益的比值)，通过迭代天线方向图以控制波束的形成，获得天线阵列复数权重因子；再利用获得的天线阵列复数权重因子作为天线阵列的激励即可实现波束形成。本发明方法适用于多种形式的波束形成，其中二维方向图多个波束的形成可以先控制天线阵列二维方向图单一波束的形成以及主旁瓣增益抑制；然后再拓展到二维方向图多个波束的形成以及主旁瓣增益抑制比；三维方向图可以在此基础上通过e/h面分解和旋转的方式，拓展到三维方向图的多波束控制和主旁瓣增益抑制，开展三维多波束的控制合成，并在所关注空间范围内通过全域搜索三维方向图极大值点，进一步抑制旁瓣的增益；最终实现二维任意位置天线阵列三维多波束的空间扫描。本发明忽略了天线阵元之间耦合，所采用方法能够准确快速地控制天线方向图到预期的方向图，相比于传统的全局搜索方式具有简单、准确、快速的优点。
附图说明
图1是流程图；
图2是一维天线阵列(用于二维波束控制)；
图3是特定主旁瓣抑制比下的二维单波束方向图；
图4是特定主旁瓣抑制比下的二维多波束方向图；
图5是二维天线阵列(用于三维波束控制)；
图6是特定主旁瓣抑制比下的三维单波束方向图；
图7是特定主旁瓣抑制比下的三维多波束方向图；
图8是特定主旁瓣抑制比下的三维多波束空间扫描示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术特征、目的和效果，下面针对w波段微带天线阵列，结合附图1～图8对本发明进行更为详细地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，这些附图中的结构图形均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用于方便、清晰地辅助说明本发明的效果。
本发明提出了一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，所述任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法包含2个步骤，参见图1。通过2个步骤的施行，控制二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成，并可实现空间波束扫描。下面针对二维单一波束、二维多波束、三维单一波束、三维多波束形成的具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图2，在开展天线二维波束控制时，对应的天线阵列为w波段微带天线均匀线阵。该w波段微带天线阵列包括一定数量的天线阵列单元、单层介质，介质底面为金属地面；天线阵列单元分布在介质上表面，天线阵列单元是金属铜、金等材质；单层介质需要满足在高频端下较为稳定的电磁参数，可以是rogers3003、rogers4350b、rogers4450等板材；单层介质的厚度、长度，以及天线阵列单元的尺寸、间距等，可以根据天线的阻抗、极化方式等进行设计确定。
天线阵列需要预先设计，其性能指标满足设计要求；天线阵列包括金属辐射结构、介质，以及金属地面；介质的厚度h、介质的长度l、宽度w，以及介质的电磁参数通过天线的设计要求进行合理选择；本方法中，介质的材料为rogers3003，介电常数为3，介质损耗角为0.0013，介质厚度h为0.127mm；关注的频段为w波段，具体为75ghz～82ghz；天线线阵单元均匀排列，相邻天线阵列单元间距为2.2mm。
本发明提出了一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，该方法首先将天线阵列单元的方向图作为输入，在此基础上进行天线方向图的控制。
二维单一波束形成与旁瓣抑制
参见图2，天线阵列包含24个天线单元，均匀呈线阵布置。本发明假定天线阵列在xy平面上，二维天线方向图计算方法为天线阵列单元的方向图配合单元的空间位置，再结合复数权重因子得到，天线阵列单元的平面位置可以是任意的，具体为：
gk(θ,ψ)(k＝1,2...24)是24个天线阵列单元极坐标下的方向图，xk、yk(k＝1,2...24)是24个天线阵列单元的位置，w1是天线阵列复数权重因子，表示激励的幅度和相位信息，λ是天线工作波长。θ,ψ分别为俯仰角和方位角，取值是根据二维扫描角度范围ang1(1,2...k1)来确定，k1是扫描范围内点的个数，可以是极坐标下天线方向图所在的某一个平面对应的θ,ψ。所关注的天线方向图在极坐标下，设定天线方向图二维扫描角度范围ang1＝{θ＝-90°～90°，ψ＝90°}(θ间隔0.5°)、主旁瓣抑制比r1＝25db(主瓣增益和最大旁瓣增益比值)，以及主瓣方向角度m1＝{θ＝0°ψ＝90°}。基于自适应原理，保持主瓣方向不变，选择最大旁瓣方向，调整天线阵列复数权重因子迭代计算天线方向图，使得迭代后的天线方向图满足主旁瓣抑制比，再基于迭代后的天线方向图选取新的最大旁瓣方向，不断迭代直到二维方向图中主瓣和所有旁瓣的主旁瓣抑制比满足或接近设定值r1，同时获得天线阵列二维单一波束方向图。其中，迭代采用的天线阵列复数权重因子初值为主瓣方向角度下的天线阵列单元的方向图配合单元的空间位置
二维多波束形成与旁瓣抑制
在得到满足设定主旁瓣抑制比和主瓣方向的天线阵列复数权重因子基础上，设定主瓣波束个数为2，采用二维单一波束形成与旁瓣抑制同样方法，获得2组满足特定主旁瓣抑制比r1＝r2＝25db和主瓣方向角度m1＝{θ＝-30°ψ＝90°}，m2＝{θ＝30°ψ＝90°}的天线阵列复数权重因子wi(i＝1，2)；采用复数域的权重因子叠加获得综合权重因子ws1，具体地，计算方法为：
ws1＝(w1 w2)/2(2)
基于ws1计算得到的天线方向图具有2个主瓣。2个主瓣增益相等，而主瓣与最大旁瓣的主旁瓣抑制比会下降，因此需要按照步骤一的方法合理设定新的主旁瓣抑制比rf，例如n＝1时的主旁瓣抑制比会比n＝2时的主旁瓣抑制比大约大1倍，因此设定rf＝22db。按照新的主旁瓣抑制比进行迭代，最终获得2个主波束和满足该设定主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子ws，以及天线阵列二维多波束方向图。参见图4，天线二维方向图的主瓣波束为m1＝{θ＝-30°ψ＝90°}，m2＝{θ＝30°ψ＝90°}，且主旁瓣抑制比为22.07db，满足所要求的天线二维方向图形状。
三维单一波束形成与旁瓣抑制
三维针对的对象是天线阵列面阵，参见图5。对应的天线阵列为w波段微带天线均匀面阵，包含16×16单元，单层介质，介质底面为金属地面；天线阵列单元分布在介质上表面，排成16行16列，每行每列均匀分布，材质可以是金属铜、金等；单层介质需要满足在高频端下较为稳定的电磁参数，可以是rogers3003、rogers4350b、rogers4450等板材。
天线阵列包括金属辐射结构、介质，以及金属地面；介质的厚度h、介质的长度l、宽度w，以及介质的电磁参数通过天线的设计要求进行合理选择；本步骤中，介质的材料为rogers3003，介电常数为3，介质损耗角为0.0013，介质厚度h为0.127mm；关注的频段为w波段，具体为75ghz～82ghz；天线面阵相邻两列间距2.2mm，每列内部相邻天线阵列单元间距为2.2mm。
针对三维情况，采用将三维天线方向图分解成二维天线方向图再采用二维单一波束的方法进行迭代，具体为：
将天线阵列(面阵)三维方向图控制分解成相互垂直的两个二维方向图来控制：将天线阵列扫描角度范围拓展到三维(在极坐标下，俯仰角θ取值0°～90°，方位角
(1)对于e面分解和旋转，xoz平面围绕x轴旋转，使得旋转平面经过点
(2)对于h面分解和旋转，yoz平面围绕y轴旋转，使得旋转平面经过点
设定三维方向图下的主副瓣抑制比r3d1＝20db，在获得了e/h面方向的天线阵列复数权重因子we1和wh1后，通过复数域的权重因子叠加获得综合权重因子weh1，其计算方法为weh1＝(we1 wh1)/2。将weh1作为二维天线面阵的激励，可以获得天线阵列三维单一波束方向图，参见图6。二维天线面阵三维方向图在主瓣方向角度
三维多波束形成与旁瓣抑制
同样针对天线阵列面阵，天线面阵结构参数与三维单一波束中的一致。基于三维单一波束形成与旁瓣抑制方法，设定主瓣波束个数为2，采用同样方法，获得2组满足特定主旁瓣抑制比r3d1＝r3d2＝20db和主瓣方向角度m1＝{θ＝-30°ψ＝90°}，m2＝{θ＝30°ψ＝90°}的天线阵列复数权重因子wehi(i＝1，2)；采用复数域的权重因子叠加获得综合权重因子wehs1＝(weh1 weh2)/2；进一步，基于综合权重因子wehs1，计算天线阵列在各组扫描角度范围的多波束二维方向图。基于wehs1计算得到的三维天线方向图具有2个主瓣，且主瓣的增益相等，而主瓣与最大旁瓣的主旁瓣抑制比会下降，因此需要合理设定新的主旁瓣抑制比rf，例如n＝1时的主旁瓣抑制比会比n＝2时的主旁瓣抑制比大约大1倍，因此选取rf＝17db。迭代计算获得满足要求的天线阵列复数权重因子wehs，以及天线阵列三维多波束方向图。
上述步骤中，基于主旁瓣抑制比rf来计算天线阵列复数权重因子wehs时，需要分析关注空间的最大旁瓣，关注空间设定为俯仰角θ取值0°～90°，方位角
波束扫描
按照空间扫描角范围与时间的对应顺序，依次按照上述方法迭代获得一组时间相关的天线阵列复数权重因子序列，将天线阵列复数权重因子序列输入到天线阵列中作为激励，形成不同时刻不同的天线波束角度，实现波束空间扫描。本实施例中以三维多波束的空间扫描为例，根据天线阵列波束扫描需求，确定每个时刻的扫描参数包括：扫描主波束数量nsf，主旁瓣抑制比以及扫描主瓣角度
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本发明中采用的天线阵列的介质类型、尺寸、电磁参数，以及阵列单元数量、布局位置、扫描频段等等不仅仅局限于实施例中的具体描述。本发明所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与三维多波束形成方法不仅仅局限于微带线阵或者平面阵列，对于其他形式的阵列天线也适用。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
1.一种任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对于一定数量l任意排列的天线阵列，在极坐标下，设定天线方向图扫描角度范围、主旁瓣抑制比以及主瓣方向角度，迭代获得满足主旁瓣抑制比的表示激励的幅度和相位信息的天线阵列复数权重因子；其中，迭代的方法具体为：基于自适应原理，保持主瓣方向不变，以主旁瓣抑制比为目标，不断迭代计算天线方向图，直至获得的天线方向图中主瓣和所有旁瓣的主旁瓣抑制比满足设定值，获得的天线方向图中对应的天线阵列复数权重因子即为满足主旁瓣抑制比的天线阵列复数权重因子。其中，迭代时，采用最小误差法保证相邻两次迭代的天线方向图中除对应的最大旁瓣对应点之外的所有点之间差异最小。
步骤二：按照空间扫描角范围与时间对应顺序，依次按照步骤一方法迭代获得一组时间相关的天线阵列复数权重因子序列，将天线阵列复数权重因子序列输入到天线阵列中作为激励，形成不同时刻不同的天线波束角度，实现波束空间扫描。
2.根据权利要求1所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，通过设定天线阵列排布、天线方向图扫描角度范围和主瓣方向角度实现多种波束的形成，包括：
二维单一波束：天线阵列为线阵，天线方向图扫描角度范围为二维；主瓣方向角度为单一角度。
二维多波束：天线阵列为线阵，天线方向图扫描角度范围为二维；主瓣方向角度为多个角度。
三维单一波束：天线阵列为面阵，天线方向图扫描角度范围为三维；主瓣方向角度为单一角度。
三维多波束：天线阵列为面阵，天线方向图扫描角度范围为三维；主瓣方向角度为多个角度。
3.根据权利要求2所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，所述二维多波束形成时，采用多重迭代，具体为：
对每个主瓣方向角度对应的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得n个满足特定主旁瓣抑制比ri(i＝2,3...n)和主瓣方向角度mi(i＝2,3...n)的天线阵列复数权重因子wi(i＝2,3...n)。n为主瓣方向角度个数。
计算综合权重因子：ws1＝(w1 w2 ...... wn)/n。
基于综合权重因子，计算多主瓣二维天线方向图，重新设定主旁瓣抑制比，迭代计算获得满足要求的天线阵列复数权重因子ws。
4.根据权利要求2所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，所述三维单一波束形成时，将三维天线方向图分解成二维天线方向图进行迭代，具体为：
采用e/h面分解与旋转，确定三维天线方向图中2个二维扫描角度范围ange1和angh1。
分别对ange1和angh1对应的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得e/h面方向的天线阵列复数权重因子we1和wh1。
通过复数域的权重因子叠加获得综合权重因子weh1，weh1＝(we1 wh1)/2。
5.根据权利要求2所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，所述三维多波束形成时，将三维天线方向图分解成2n个单一主瓣二维天线方向图并进行多重迭代，n为主瓣方向角度个数。具体为：
采用e/h面分解与旋转，确定三维天线方向图中2组不同主瓣方向角度下的二维扫描角度范围angei和anghi。
分别对每个二维扫描角度范围、每个主瓣方向角度下的单一主瓣二维天线方向图进行迭代，获得n组满足特定主旁瓣抑制比ri(i＝2,3...n)和主瓣方向角度
采用复数域的权重因子叠加获得综合权重因子wehs1，wehs1＝(weh1 weh2 ...... wehn)/n。
基于综合权重因子wehs1，计算在各组扫描角度范围下的三维天线方向图，在俯仰角θ取值0°～90°，方位角
6.根据权利要求4-5任一项所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，在极坐标中确定了主瓣方向角度
(1)对于e面分解和旋转，xoz平面围绕x轴旋转，使得旋转平面经过点
(2)对于h面分解和旋转，yoz平面围绕y轴旋转，使得旋转平面经过点
7.根据权利要求1-5任一项所述的任意二维天线阵列的旁瓣抑制与波束形成方法，其特征在于，所述的天线阵列在xy平面上，天线方向图计算方法为天线阵列单元的方向图配合天线阵列单元的空间位置，再结合复数权重因子得到，具体为：
其中gk(θ,ψ)(k＝1,2...l)是l个天线阵列单元极坐标下的方向图，xk、yk(k＝1,2...l)是l个天线阵列单元的位置，w1是天线阵列复数权重因子，λ是天线工作波长，θ,ψ分别为俯仰角和方位角，根据设定的扫描角度范围确定，j为虚数。对天线方向图采用归一化处理，天线方向图中的主瓣增益为：abs(f(θm,ψm))，最大旁瓣增益为：abs(f(θs,ψs))，则主旁瓣抑制比r＝abs(f(θm,ψm))/abs(f(θs,ψs))。
技术总结