一种提高相控阵波束指向精度的方法 【技术领域】
本发明涉及相控阵系统， 尤其涉及一种提高相控阵波束指向精度的方法。背景技术 现有的相控阵系统中， 天线的波束指向由波束控制系统来执行， 它主要通过对各 阵元相位和增益的控制实现波束空间指向的变化。由 N 个间距均为 d 的阵元组成的线阵波
束指向为 θ 角时， 其理想方向图为其中 Ik 为各阵元振幅激励增益， φk为各阵元馈相值， 由此可知各阵元馈相准确度直接影响波束指向精度。移相器是相控阵天 线的关键器件， 它采用数字控制各阵元馈相， 受移相器位数限制， 其馈相值只能是量化台阶 的整数倍， 由此产生的理论馈相与实际馈相的偏差称为移相器相位量化误差， 该误差将使 波束指向偏离理论值。相位量化误差导致的波束指向误差在所难免， 工程应用中常用四舍 五入法、 二可能值法、 预加相位法等馈相法对此误差进行修正， 但都没有很好的降低波束指 向误差的极值和均方差的效果。 发明内容
本发明的目的是针对现有技术中没有一种有效提高相控阵波束指向精度的方法， 公开了一种提高相控阵波束指向精度的方法。
本发明的目的通过下述技术方案来实现 ：
一种提高相控阵波束指向精度的方法， 其具体包含以下步骤 ：
步骤 1. 根据阵元个数计算出移相器馈相量化台阶值， 初始化量化台阶值与理想 馈相值， 根据阵元个数确定中心阵元位置， 并计算出整个外推过程的总递归次数 ；
步骤 2. 找出与中心阵元理想馈相值之间差值绝对值较小的移相器馈相量化台阶 值， 将其作为中心阵元移相器的实际馈相值， 并计算出初始相位误差 ；
步骤 3. 进入外推阵元馈相， 外推结果保持已确认馈相阵元累积相位误差最小 ；
步骤 4. 循环进行外推阵元馈相， 直至外推次数等于总递归次数， 即完成对所有阵 元馈相。
更近一步地， 上述步骤 2 具体为 ： 当阵元个数 N 为奇数时， 中心阵元为外推次数中心阵元实际馈相值为 ： 与中心阵元理想馈相值差值绝对值较小的移相器馈相量化台阶值， 将其作为中心阵元移相器的实际馈相值。
更近一步地， 上述步骤 2 具体为 ： 当阵元个数 N 为偶数时， 中心阵元有两个， 分别为 外推次数 中心阵元实际馈相值为 ： 与中心阵元理想馈相值差值绝对值较小的移相器馈相量化台阶值， 将其作为中心阵元移相器的实际馈相值。
更近一步地， 上述步骤 3 具体为 ： 以上一次确定馈相值的关于中心对称的 2 个阵元为外推左、 右基点， 同时确定左基点左邻近阵元和右基点右邻近阵元的馈相值， 保持本次外 推后已确定馈相阵元其相位误差值之和最小。
更近一步地， 上述保持本次外推后已确定馈相阵元其相位误差值之和最小具体 为： 将 4 种情况下的累积馈相误差分两组进行比较， 每组比较的结果再进行组间比较， 选择 出外推后阵元相位误差之和最小的馈相值。
更近一步地， 上述比较大小中， 若不同的组合馈相情况其结果相等时， 选取与两侧 阵元理想馈相值偏离度之和最小的组合进行馈相。
本发明的有益效果 ： 通过上述方法首先初始化量化台阶值与理想馈相值， 找出中 心阵元， 确定中心阵元移相器的馈相值， 再依次向左、 右两端阵元外推其馈相值， 此时， 所有 阵元累积相位误差值最小， 由相位量化误差与波束指向误差的线性关系， 波束指向误差此 时达到最小值， 提高了相控阵波束指向精度。 附图说明
附图 1 为本发明的提高相控阵波束指向精度方法的实现流程图。
附图 2 为外推馈相参数示意图。
附图 3 为典型相控阵天线系统的结构图。 具体实施方式
下面结合说明书附图， 详细说明本发明的具体实施方式。
为了方便阅读， 首先将下述公式含义定义如下 ：
阵元个数 ： N； 波长 ： λ； 理想波束指向角 ： θ； 移相器位数 ： p； 移相器馈相量化台 相邻阵元理想馈差值 ： ΔφI ； 阵元 i 理想馈相值 ： φIi ； 阵元 i 实际馈相值 ：阶差值 ：φRi ； 阵元 i 馈相误差 ： Δφi ； 阵元 i 指向误差 ： Δθi ； 阵元 i 的振幅激励增益 ： Ii ； 波束总 指向误差 ： ξθ。
图 1 为本发明的提高相控阵波束指向精度方法的实现流程图， 如图 1 所示， 本发明 公开了一种提高相控阵波束指向精度的方法， 其具体包含以下步骤 ：
步骤 1. 根据阵元个数计算出移相器馈相量化台阶值， 初始化量化台阶值与理想 馈相值， 根据阵元个数确定中心阵元位置， 并计算出整个外推过程的总递归次数 ；
步骤 2. 找出与中心阵元理想馈相值之间差值绝对值较小的移相器馈相量化台阶 值， 将其作为中心阵元移相器的实际馈相值， 并计算出初始相位误差 ；
步骤 3. 进入外推阵元馈相， 外推结果保持已确认馈相阵元累积相位误差最小 ；
步骤 4. 循环进行外推阵元馈相， 直至外推次数等于总递归次数， 即完成对所有阵 元馈相。
通过上述方法首先初始化量化台阶值与理想馈相值， 找出中心阵元， 确定中心阵 元移相器的馈相值， 再依次向左、 右两端阵元外推其馈相值， 此时， 所有阵元累积相位误差 值最小， 由相位量化误差与波束指向误差的线性关系， 波束指向误差此时达到最小值， 提高 了相控阵波束指向精度。
更进一步地， 上述步骤 2 具体为 ： 当阵元个数 N 为奇数时， 中心阵元为4外推CN 102810742 A说明书3/7 页次数中心阵元实际馈相值为 ： 与中心阵元理想馈相值差值较小的移相器馈相量化台阶值， 将其作为中心阵元移相器的实际馈相值。
如下述公式表示 ： 如果下述条件成立， 则实际馈相值否则为
中心阵元下标为则其理想馈相值 满足 ：分别设定前后两个移相器馈相量化台阶值
其中 ： ΔφI 为相邻阵元理想馈相差值， 为移相器馈相量化台阶差值。 更进一步地， 上述步骤 2 具体为 ： 当阵元个数 N 为偶数时， 中心阵元有两个， 分别为 外推次数 中心阵元实际馈相值为 ： 与中心阵元理想馈相值差值较小的移相器馈相量化台阶值， 将其作为中心阵元移相器的实际馈相值。
则， 2 个中心阵元实际馈相值分别为 ：
中心阵元有两个， 其下标分别为对应理想馈相值分别为则有：
分别为阵元设定前后量化台阶值其满足 ：其中 ： ΔφI 为相邻阵元理想馈相差值， 为移相器馈相量化台阶差值。
更进一步地， 上述步骤 3 具体为 ： 以上一次确定馈相值的关于中心对称的 2 个阵元 为外推左、 右基点， 同时确定左基点左邻近阵元和右基点右邻近阵元的馈相值， 保持本次外 推后已确定馈相阵元其相位误差值之和最小。
以第 i 次外推分别确定左、 右两边阵元馈相值 φR_Li、 φR_Ri 为例 ：
设总外推次数为 ： M；
前 i-1 次外推后累积相位误差为 ： Sigφi-1 ；
则， 该次外推待确定左、 右阵元的理想馈相值 φI_Li、 φI_Ri 分别为 ：
计算得到左侧阵元可能的实际馈相台阶 要求满足 ：与右侧阵元可能的实际馈相台阶
设与其对应阵元理想馈相误差值分别为 εl、 εl+1、 εm、 εm+1， 其关系如图 2 所示的外推馈相参数示意图， 其满足 ：
为达成外推后阵元相位误差之和 Sigφi 最小， 即Sigφi ＝ |Sigφi-1+φR_Li+φR_Ri| 值最小。
更进一步地， 上述保持本次外推后已确定馈相阵元其相位误差值之和最小具体 为： 将 4 种情况下的累积馈相误差分两组进行比较， 每组比较的结果再进行组间比较， 选择 出外推后阵元相位误差之和最小的馈相值。
为达成外推后阵元相位误差之和 Sigφi 最小， 即
Sigφi ＝ |Sigφi-1+φR_Li+φR_Ri| 值最小。由于 φR_Li 可为 或φR_Ri 可为或则外推有 4 种组合馈相可能情况， 设 4 种情况下累积馈相误差分别为 A、 B、 C、 D， 即：
由上式可知， 除了 A 与 D， B 与 C 外， 其他馈相情况中两两之间都存在一个相同的馈 相值， 于是选择 2 级比较策略得出 A、 B、 C、 D 中的最小值 ：
第1级： 把 4 种情况按 A 与 B， C 与 D 分为两组， 先进行组内大小比较， 分别得到 A 与 B、 C 与 D 的比较结果 ；
第2级： 再将组内比较结果进行组间大小比较， 从而得到最终结果。
更进一步地， 比较大小中， 若不同的组合馈相情况其结果相等时， 选取与两侧阵元 理想馈相值偏离度之和最小的组合进行馈相。
例 如 在 第 1 级 比 较 中 A=B， 即 |Sigφi-1+εl+εm| ＝ |Sigφi-1+εl+εm+1|， 则 εm=εm+1 或 εm ＝ -2Sigφi-1-εm+1 ；
当 εm ＝ εm+1 时， 由 于 矛盾， 此种情况不成立 ； 当 εm ＝ -2Sigφi-1-εm+1 时， 由于即与
因此 εm、 εm+1 使其满足条件 εm=-2Sigφi-1-εm+1。
由于 A、 B 中具有相同的馈相误差 εl， 则与阵元理想馈相偏离度等效于馈相误差 εm、 εm+1 的绝对值 ； 当 |εm| ≤ |εm+1| 时， A 与 B 比较结果选 A ； 否则选 B。
同理， 在第 2 级比较中若 A=D， 即 |Sigφi-1+εl+εm| ＝ |Sigφi-1+εl+1+εm+1|， 则比 较与左、 右侧阵元理想馈相值的总偏离度， 等效于比较馈相误差 εl、 εm 绝对值之和与馈相 误差 εl+1、 εl+1 绝对值之和的大小 ； 当 |εm|+|εl| ≤ |εm+1|+εl+1|， A 与 D 比较结果选 A， 否则选 D。
若最终组合馈相为 A， 则本次外推过程结束， 从而得到两端阵元实际馈相值与当前 累积相位误差 ：
由前述中心阵元馈相外推准则可知， 外推过程的基本要素包含左、 右基点， 外推次 数， 以及累积相位误差， 因此首先要对初始基点、 初始相位差、 递归次数参数进行设置。 令初 始左基点馈相值为 φR_L0， 右基点馈相值为 φR_L0， 累积相位误差值为 SigφO， 递归次数为 M。 若阵元个数 N 位奇数， 设中心阵元馈相值 则： 的相位误差为 εmid，
其中， 若阵元个数 N 位偶数， 此时中心阵元为 2 个， 设其馈相值 的相位误差分别为 εmid1、
εmid2， 则：
其中，
下面详细分析本发明的有益效果 ： 相控阵理论， 阵元 i 理想馈相值为 ： 其中 i=1， 2,3...N 相邻阵元理想馈相差值为 ：由移相器位数得其馈相精度 ：
因此， 阵元 i 的实际馈相值只能取 ： 其中 k ∈ [0~2p) 的整数， i ＝ 1,2,3...N 可知， 由移相器馈相精度产生阵元 i 的馈相量化误差为 ： Δφi=|φRi-φIi|， 且 其中 i=1,2,3...N 又由波束指向误差公式知， 阵元 i 相位量化误差引起的波束指向误差为 ： 其中 i=1,2,3...N于是， 整个天线阵列的波束指向误差为 ：
也就是说只要找到 ξθmin， 即达到值最小， 由于各阵元的振幅激励增益一般设计为等幅激励或是从中心到两端逐渐减小， 因此本发明从中心阵元再到两端阵元的 策略进行馈相值的确定， 降低了波束指向误差的极值和均方差。
本发明可以采用如图 3 所示的典型相控阵天线系统来实现， 由数字信号处理、 接 收 / 发射信道、 波束控制单元、 波束形成网络、 相控阵天线等基本部件组成， 构成了处理、 发 射、 接收、 处理的完整闭环回路。 本发明的方法驻留在波束控制单元内， 工作状态下， 根据信 号处理送来的目标信息结合天线与移相器的固有参数， 通过本方法计算出各阵元需要的馈 相控制编码送至波束形成网络， 配合其他开关共同完成波束指向调度。上述装置及其配件 属于本领域技术人员常用的， 在此不再赘述。
上述的实施例中所给出的系数和参数， 是提供给本领域的技术人员来实现或使用 本发明的， 本发明并不限定仅取前述公开的数值， 在不脱离本发明的发明思想的情况下， 本 领域的技术人员可以对上述实施例作出种种修改或调整， 因而本发明的保护范围并不被上 述实施例所限， 而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。