本發明屬于相控陣天線，特別涉及一種基于毫米波相控陣天線的波束成形優化系統。

背景技術：

1、相控陣天線(phased?array?antenna)是一種結合了多個天線單元(或稱為輻射元素)來形成一個整體的天線系統，它是由多個天線單元組成，這些單元可以是單個的波導喇叭天線、偶極子天線、貼片天線等，這些天線單元按照一定的幾何布局(如線性、平面或曲面)排列，并通過相位控制器進行相位差調節，以實現波束的形成和方向的控制，每個天線單元都可以獨立地發射和接收信號，并配有移相器等電子器件來調整相位；

2、在波束形成過程中，首先根據所需的指向角度計算出每個天線單元所需的相位，然后將這些相位應用于相應的天線單元，由于各個天線單元發出的信號在空間中存在相位差異，它們會相互干涉，合成一個指向預定方向的波束，這個波束會在所選方向上集中能量，增強了該方向的信號傳輸效果，同時抑制了其他方向上的信號；

3、然而，為了實現精確的相位控制，相控陣天線需要大量的移相器和幅度控制器等硬件組件，增加了系統的復雜性，使得其易受周圍非目標對象的干擾，從而影響數據傳輸的精度，因此我們需要提出一種基于毫米波相控陣天線的波束成形優化系統來解決上述存在的問題，使其能夠采用毫米波對相控陣天線波束成形，精確地控制波束的指向和形狀，減少了周圍非目標對象的干擾，提高了數據傳輸的精度。

技術實現思路

1、針對上述問題，本發明提供了一種基于毫米波相控陣天線的波束成形優化系統，包括：能夠以規則的二維數組排列的天線陣列模塊，所述天線陣列模塊包括多個天線單元，每個所述天線單元都能夠獨立地調整其發射或接收信號的相位，以實現對波束方向的精確控制；

2、能夠改變信號干涉情況的相位調控模塊，所述相位調控模塊用于調整每個天線單元的相位來改變信號的干涉情況，從而合成一個指向預定方向的波束；

3、基于毫米波的波束合成與優化模塊，所述波束合成與優化模塊根據所需的指向角度和波束形狀計算出每個天線單元的所需相位，再將所需相位應用到相應的天線單元，并通過數字信號處理算法對波束進一步的優化，以提高傳輸效率和抗干擾能力；

4、干擾抑制與信號處理模塊，所述干擾抑制與信號處理模塊通過自適應濾波算法來減少周圍非目標對象的干擾，提高數據傳輸的精度和可靠性；

5、控制與監測模塊，所述控制與監測模塊用于實時監測天線陣列模塊、相位調控模塊、波束合成與優化模塊以及干擾抑制與信號處理模塊的實時數據以對系統進行動態調整和優化，確保各模塊的正常工作和波束成形的準確性；

6、所述相位調控模塊分別與天線陣列模塊和波束合成與優化模塊電性連接，所述波束合成與優化模塊與干擾抑制與信號處理模塊電性連接。

7、進一步的，所述天線單元在獨立調整其發射或接收信號相位的流程如下：

8、a1、接收來自相位調控模塊的相位調控指令，相位調控指令包括對該天線單元所期望調整到的目標相位值信息；

9、a2、根據實際應用場景確定當前毫米波段下的工作頻率f和該天線單元在整個天線陣列中的位置坐標x和y，計算出對應的波長λ，波長λ計算公式如下：

10、

11、a3、根據目標方向計算相位調整量，相位調整量存在均勻線性陣列和二維陣列的兩種陣列情況：

12、a31、對于均勻線性陣列情況，天線陣列的陣元間距設置為d，目標波束指向方向與陣列法線的夾角設置為θ，計算所需相位調整量相位調整量計算公式如下：

13、n＝1,2,…,n，其中，n為陣列中天線單元的總數，n為當前天線單元的數量；

14、a32、對于二維陣列情況，將陣列在x方向的陣元間距設置為dx，在y方向的陣元間距設置為dy，目標波束指向方向在球坐標系下用方位角設置為θ，仰角設置為φ，分別計算坐標為(a,b)的x方向的和y方向的方向分量

15、

16、其中，a為坐標(a,b)的行序號，b為坐標(a,b)的列序號；

17、計算總的相位調整量計算公式為：

18、a4、通過微帶線移相器進行相位調整；

19、a5、在天線單元輸出端或輸入端設置相位探測器，用于檢測實際調整后的相位情況，并與目標相位值進行對比，若存在偏差則需要計算偏差量再根據偏差量再次進行微調校準，偏差量計算公式為：

20、其中，為目標相位值，為實際檢測到的相位值；

21、若不存在偏差，則完成相位的調整。

22、進一步的，步驟a4中，相位調整流程如下：

23、a41、確認移相器的工作波長λt和微帶線的有效介電常數εeff，計算微帶線中的導波波長λg，計算公式如下：

24、

25、a42，根據導波波長λg計算微帶線的相位常數β，計算公式如下：

26、

27、a43、將移相器的容變二極管電容值變化量設置為δc，計算微帶線的等效電長度變化量δl，計算公式如下：

28、δl＝k*δc，其中，k為與微帶線結構、介質參數相關的比例系數；

29、a44、根據微帶線的等效電長度變化量δl和微帶線的相位常數β計算相位量計算公式如下：

30、

31、a45、將計算出的期望相移量轉化為對變容二極管電容值的調整，從而實現移相器對信號的相位調整操作。

32、進一步的，所述相位調控模塊對每個天線單元相位調整的流程如下：

33、b1、通過目標定位或通信需求確定波束需要指向的方向，即仰角為e，方位角為r；

34、b2、根據波束指向和天線陣列的布局，計算每個天線單元相對于參考點的相位差δσ，其中，λi為電磁波的波長，md(sine*cosr)為在e方向上第(e,r)個天線單元相對于參考點的路徑差，nd(sine*sinr)為在r方向上第(e,r)個天線單元相對于參考點的路徑差；

35、b3、將計算得到的個位差應用到相應的天線單元上，通過調整公式來調整每個天線單元的相位，調整公式如下：

36、其中，v0為偏移電壓，h為電壓與相位轉換系數，為需要調整的相位差，為控制電壓；

37、b4、通過測量和調整來驗證波束的指向和形狀是否符合預期，若符合預期時，則進行波束合成與體化，若不符合預期時，則返回b1。

38、進一步的，所述波束合成與優化模塊進行波束合成與優化的流程如下：

39、c1、根據預設任務需求來確定所需的指向角度以及期望的波束形狀的相關參數；

40、c2、根據獲取的指向角度和天線陣列的結構參數，計算每個天線單元所需調整的相位差；

41、c3、根據相位差進行波束形狀優化，優化公式如下：

42、其中，a(θ)為原陣列因子，aw(θ)為加窗后的陣列因子，w(n)為窗函數，an為各陣元激勵幅度相關系數；

43、c4、計算輸入信號的權重值w(k)，計算公式如下：

44、其中，xk為輸入信號向量，m為輸入信號總數量；

45、c5、根據權重值w(k)不斷迭代更新權重來優化波束性能，迭代更新公式如下：

46、w(k+1)＝w(k)+2μ*e(k)*x(k)，其中，μ為步長因子，e(k)為誤差信號，x(k)為輸入信號向量，通過不斷迭代更新權重來優化波束性能，提高傳輸效率和抗干擾力；

47、c6、對每個天線單元進行初始化配置，設置天線單元基本的電氣參數，電氣參數包括增益、輻射方向圖；

48、c7、接收來自相位調控模塊的相位調整指令進行自身信號的相位改變，利用多個天線單元之間相位的差異，通過各天線單元發出的電磁波在空間相互干涉實現對波束方向的控制。

49、進一步的，步驟c2中，每個所述天線單元所需調整的相位差計算方式存在以下兩種情況：

50、c21、對于均勻線性陣列，計算第n個天線單元相對于參考陣元所需的相位差相位差的計算公式如下：

51、

52、其中，λj為工作波長，d為陣元間距，θj為初始相位，n為當前天線單元的數量，s為相位常數；

53、c22、對于矩形平面陣列，根據天線單元相對于參考陣元的坐標來(o,u)確定目標波束指向方向的方位角α、目標波束指向方向的仰角γ以及在x和y方向的陣元間距do和du，分別計算相位差在x方向分量和在y方向分量計算公式如下：

54、

55、其中，s為相位常數，為總相位調整量。

56、進一步的，所述干擾抑制與信號處理模塊減少周圍非目標對象干擾的流程如下：

57、d1、實時采集天線陣列模塊接收的包含干擾信號的混合信號，使用離散分析公式對混合信號進行時域、頻域分析，確認干擾信號的頻率特征和強度分布情況，離散分析公式如下：

58、

59、頻域的第i個頻率分量，x(n)為離散的時域信號序列，n為時間索引，取值范圍從0至n-1，e為自然常數，j為虛數單位，滿足j2＝-1，i為頻域索引；

60、d2、采用自適應濾波公式進行濾波處理，以抑制周圍非目標對象對其的干擾，自適應濾波公式如下：

61、y(n)＝wt(n)*x(n)，

62、wt(n)＝2μ*e(n)*x(n)，其中，μ為步長因子，e(n)為誤差信號，x(n)為輸入信號向量，wt(n)為濾波器權重向量；

63、d3、通過檢波器檢測信號的振幅變化來恢復原始信號，通過頻率檢測器檢測信號的頻率變化來恢復原始信號。

64、進一步的，所述控制與監測模塊進行監測與控制的流程如下：

65、e1、設置分別與天線陣列模塊、相位調控模塊、波束合成與優化模塊以及干擾抑制與信號處理模塊需要采集的數據類型以及采集頻率參數；

66、e2、按照設定的參數實時采集各模塊的相關數據，各模塊的相關數據包括采集天線陣列各單元的實際相位值、波束合成模塊輸出波束的實際方向和形狀參數、干擾抑制模塊處理后信號的質量指標數據，計算處理后信號的質量指標ber，質量指標ber計算公式如下：

67、其中，ne為錯誤碼元數，nt為總碼元數；

68、e3、將采集到的數據與期望的工作狀態指標進行對比分析，判斷數據是否在期望指標范圍內；

69、e4、當發現數據超出期望指標時，則根據相應的控制策略和算法，生成對各相關模塊的調整指令，當發現數據在期望指標內時，則返回e2。

70、進一步的，步驟e3中，采集到的數據與期望的工作狀態指標進行對比分析存在以下兩種情況：

71、e31、對于波束方向，根據監測到的實際波束方位角和仰角與期望目標波束方位角和仰角進行比較，計算偏差量，若偏差量超出誤差允許值時，則判定超出期望指標，若偏差量未超出誤差允許值時，則判斷未超出期望指標；

72、e32、對于干擾抑制效果，分析經過干擾抑制與信號處理模塊處理后的信號的信噪比與無干擾情況下的理想信號的信噪比進行對比，如果處理后的信號信噪比小于或等于理想信號信噪比，則判斷超出期望指標，如果處理后的信號大于理想信號，則判斷未超出期望指標。

73、進一步的，步驟e4中，生成的調整指令存在以下兩種情況：

74、e41、當判斷波束方向出現偏差時，向相位調控模塊發送重新計算和調整相位的指令；

75、e42、若發現干擾抑制效果不佳時，則通知干擾抑制與信號處理模塊優化其算法參數，對于自適應濾波算法需要調整步長因子的參數。

76、本發明的有益效果是：

77、1、本發明通過天線陣列模塊、相位調控模塊、波束合成與優化模塊、干擾抑制與信號處理模塊以及控制與監測模塊的配合，實現了采用毫米波對相控陣天線波束成形時精確控制波束指向和形狀、減少周圍非目標對象干擾以及提高數據傳輸精度的目標。

78、2、本發明天線陣列模塊通過計算出各單元相位后，將其轉化為相應的控制指令發送給天線陣列模塊中的各個天線單元，驅動每個單元的移相器對信號進行相位調整，從而改變各單元信號在空間的干涉情況，使得多個單元發出的電磁波能夠按照期望的方向進行疊加干涉，合成一個指向預定方向的波束，實現了波束指向的精確控制。

79、3、本發明通過波束合成與優化模塊能夠進一步優化波束形狀，使其更符合通信要求，實現對波束形狀的精確控制，通過對權重不斷迭代更新能夠自適應地在期望方向增強信號，同時在其他干擾方向抑制信號，提高了波束在傳輸過程中的抗干擾能力，便于提升整體的數據傳輸精度。

80、本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、權利要求書以及附圖中所指出的結構來實現和獲得。