[發明專利]陣列天線模擬多波束賦形方法

有效

• 申請號: 201810017712.2
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN108173578B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 張軍;曹先彬;朱立鵬;肖振宇;吳大鵬
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04B7/0408
• 分類號: H04B7/0408;H04B7/06
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 祗志潔

本發明公開了陣列天線模擬多波束賦形方法，屬于陣列信號處理技術領域，提供了4種多波束賦形方法，適用于高頻段定向通信，相控雷達多方向檢測，分別是：(1)在給定2個方向波束增益需求的比例時，進行相位控制波束賦形；(2)在給定2個方向波束增益中其中1個的下確界時，進行相位控制波束賦形；(3)在給定K個方向波束增益需求的比例時，進行聯合相位幅度控制波束賦形；(4)在給定K個方向波束增益權重因子時，進行相位控制波束賦形。以上四種方法分別在不同場景需求下，實現了低復雜度的毫米波波束賦形，使得毫米波通信中的陣列天線能夠同時瞄準多個方向，同時獲得多個方向上的陣列增益，以滿足多個終端設備同時接入的需求。

技術領域

本發明屬于陣列信號處理技術領域，具體是指在通信和雷達中，同時進行多個波束方向的模擬波束賦形方法。

背景技術

毫米波通信(Millimeter Wave Communication)被視為第五代移動網絡(TheFifth Generation Mobile Networks,5G)的一項關鍵技術，其良好的性質和前景引起了學術界和工業界的廣泛關注。一方面，毫米波30GHz-300GHz的頻域帶寬能夠提供豐富的可利用的頻譜資源；另一方面，毫米波具有極窄的波束，可以大大減小元器件的尺寸，同時毫米波具有極好的方向性，可以實現大規模天線陣列，利用天線陣列增益進行定向通信。

隨著5G時代的到來，移動終端數量迅速增長，萬物聯網的需求使得移動終端的接入量大大提高，預計在2020年，全球將有約500億終端設備接入無線移動網絡。在傳統的毫米波通信當中，由于毫米波傳播具有較強的距離衰減特性，通常采用波束賦形的方法來彌補傳播中的能量損失，其核心思想是利用陣列天線的相位和幅度差異，使得信號強度在特定方向得到加強，稱之為陣列增益。然而，在傳統的波束賦形方法中，單個射頻下的陣列天線只能將能量集中在一個方向，導致其他方向上的陣列增益非常小，這限制了接入設備的數量。如果通過對天線相位及幅度的控制，使得陣列天線可以同時獲得多個方向的陣列增益，就會成倍地提高接入設備的數量。因此，利用陣列天線進行模擬多波束賦形在未來5G毫米波通信當中具有非常重要的意義。

事實上，不僅僅是地面毫米波通信，陣列通信還廣泛應用于Ku波段、X波段等高頻段數據鏈和相控陣雷達中。例如，對于空地鏈路，地面站與無人機進行定向通信時，多波束賦形可以成倍地提高接入無人機的數量，突破目前“一機一站”的限制，實現“多機一站”的高效測控及數傳；在相控雷達中，利用模擬多波束賦形能夠同時實現多個方向的檢測，加快對目標的探測速度。

目前的模擬波束賦形方法中，單個射頻只能實現瞄準一個方向上的波束，實現多個方向上的波束必須采用多個射頻，而本發明首次提出的單個射頻下的多波束賦形，能夠有效的降低硬件復雜度。

發明內容

為了降低硬件復雜度，采用模擬波束賦形時，陣列天線共用同一個射頻(RadioFrequency,RF)，本發明提供了一種陣列天線模擬多波束賦形方法，適用于陣列天線通信及陣列天線雷達檢測。在不同的場景下，分別考慮相位控制和聯合相位幅度控制兩種方式進行多波束賦形。

本發明提供的陣列天線模擬多波束賦形方法，陣列天線共用同一個射頻，為天線設定不同的權重系數，使得天線陣列在不同的方向上同時獲得增益。設天線個數為N；波束賦形向量為w，也就是各天線的權系數向量；給定用戶所處方向對應發射角的余弦值為Ω_k,k＝1,2,…,K，K為用戶總數，為用戶k設置的轉向向量為a_k。

本方法包括如下四種情況：

情況1：在給定2個方向波束增益需求的比例時，進行相位控制波束賦形；