一种含耦合阵列天线功率方向图受通道误差扰动分析方法与流程

1.本发明属于阵列天线技术领域，具体涉及一种含耦合阵列天线功率方向图受通道误差扰动分析方法。


背景技术：

2.天线阵列的设计在理论上是精确的，但是在实际工程实现中，阵列天线的通道误差，即阵元的激励幅度和激励相位误差，会对天线的性能如副瓣电平、波束指向及增益等产生影响。因而在实际制造时会规定公差,也就是成品与要求的差别在公差范围以内就认为合格。一般说来，误差越大性能越差，但规定的公差越严，天线阵列的造价就越高，需要在两者之间取得平衡。在天线实际投入生产之前，如果能够从理论上进行分析这些误差的影响，就能对实际使用时的天线阵列性能有所估计，并且控制成本。
3.文献“阵列天线实现误差对功率方向图扰动的影响分析”对理想天线单元组成的线性阵列天线的通道误差和位置误差进行理论推导和分析；文献“mechanical and electrical tolerances for two-dimensional scanning antenna arrays”一文中作者推导了存在位置误差、指向误差以及激励幅度误差时平面偶极子阵列的功率方向图的均值公式，但只应用单元方向图相乘原理，不包含单元互耦关系。现有方法基本是对理想天线单元阵列进行分析或是简单利用单元方向图相乘原理。为了更加贴近实际天线应用情况，在通道误差模型为高斯分布模型的假设下，提出一种含耦合阵列天线功率方向图受通道误差扰动分析方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供可以准确地预测通道误差对含单元互耦效应的任意天线阵列功率方向图的影响，避免了繁琐的蒙特卡洛模拟，提高分析效率，分析结果准确性高的一种含耦合阵列天线功率方向图受通道误差扰动分析方法。
5.本发明包括如下步骤：
6.s101：建立要进行误差分析的天线模型：确定天线单元、单元数、单元间距、工作频率，利用仿真软件建立要进行误差分析的天线模型，分别以各单元为中心建立相对坐标系，导出各天线单元的有源单元方向图；
7.s102：设置误差模型：输入用户所定的激励幅度误差和相位误差的均值和方差，建立天线单元的幅度和相位误差正态分布模型；
8.s103：计算天线阵列理想场方向图；
9.s104：计算功率方向图期望；
10.s105：计算功率方向图方差；
11.s106：设置概率，计算受到通道误差扰动的含单元互耦效应的天线阵列功率方向图在设置概率下的上下限；
12.s107：判断含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、方差及上下限是否满足天线阵列电性能要求；
13.s108：若含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、方差及上下限满足天线阵列电性能，则输出天线阵列辐射功率方向图及通道误差模型；若含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、方差及上下限不满足天线阵列电性能要求，则返回步骤s102，更新通道误差模型。
14.在步骤s103中，所述计算天线阵列理想场方向图具体是根据天线单元有源方向图、单元数和单元间距、工作频率信息，通过下式计算含单元互耦效应的任意天线阵列理想场方向图：
[0015][0016]
其中，是有源单元方向图，是复激励系数，是传播常数，是天线阵元位置。
[0017]
在步骤s104中，根据含单元互耦效应的天线阵列理想场方向图以及误差模型，通过下式计算含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望，
[0018][0019]
其中，σw是激励幅度误差的方差，σ
ψ
是激励相位误差的方差，是的模。
[0020]
在步骤s105中，根据含单元互耦效应的天线阵列功率方向图期望以及误差模型，通过下列两式以及含单元互耦效应的天线阵列功率方向图期望，计算含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的方差；
[0021]
[0022][0023]
其中，σw是激励幅度误差的方差，σ
ψ
是激励相位误差的方差，是的模，是的幅角。
[0024]
在步骤s106中，根据含单元互耦效应的天线阵列功率方向图期望、功率方向图方差以及可以设置受通道误差扰动的天线阵列功率方向图不超出上下限的概率，受扰动的天线功率方向图在上下限内的概率满足设置的概率要求，通过下式计算受到通道误差扰动的含单元互耦效应的功率方向图在满足设置概率要求下的上下限，
[0025][0026]
其中,是受到误差扰动的功率方向图，是设置的概率值。
[0027]
本发明的原理和有益效果如下：
[0028]
(1)本发明所提出的技术在通道误差模型为高斯分布的假设下，可以准确地预测通道误差对含单元互耦效应的任意天线阵列功率方向图的影响，通过分析加入扰动后含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、方差以及在设定概率下受扰动的天线功率方向图的上下限，对分析实际应用中天线阵列的性能有一定的参考意义。
[0029]
(2)本发明基于概率方法分析通道误差对含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的影响，包含单元互耦效应，可以适用于任意天线阵列，更加接近实际中的天线阵列，在保证计算精度的前提下，避免了繁琐的蒙特卡洛模拟，提高分析效率；
[0030]
(3)本发明从概率的角度出发，在通道误差为高斯分布的假设下，获得了受到通道误差扰动的功率方向图在设置概率下的上下限，受扰动的天线功率方向图不超过上下限的
概率满足设置的概率要求，且上下界在保证分析准确性的同时更加紧凑。
附图说明
[0031]
图1是实施例中的含单元互耦效应的阵列天线功率方向图受通道误差扰动的分析方法的流程示意图。
[0032]
图2是本发明实施例的天线阵列仿真图；
[0033]
图3是hfss仿真软件得到的理想功率方向图与综合得到的理想功率方向图的剖面的比较图；
[0034]
图4是2000次蒙特卡洛模拟的受扰动天线阵列功率方向图的剖面的展示图；
[0035]
图5是蒙特卡洛模拟方法与本发明方法得到的含单元互耦效应的功率方向图均值的剖面的比较图；
[0036]
图6是本发明方法得到的受到通道误差扰动的含单元互耦效应的功率方向图；
[0037]
图7是受到通道误差扰动的功率方向图超出本发明方法得到的上下限的概率图。
具体实施方式
[0038]
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明，以下实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0039]
实施例
[0040]
如图1所示，一种含耦合阵列天线功率方向图受通道误差扰动分析方法，包括如下步骤，
[0041]
s101：建立要进行误差分析的天线模型：
[0042]
确定天线单元、单元数、单元间距、工作频率，利用hfss或其他仿真软件，建立用户要分析的天线阵列模型。分别以各单元为中心建立相对坐标系，导出各天线单元的有源单元方向图；
[0043]
s102：设置误差模型：
[0044]
输入用户所定的激励幅度误差和相位误差的均值和方差，建立天线单元的幅度和相位误差正态分布模型；
[0045]
s103：计算天线阵列理想场方向图；
[0046]
根据天线单元有源方向图、单元数、单元间距、工作频率信息，通过下式计算含单元互耦效应的任意天线阵列理想场方向图
[0047][0048]
其中，是有源单元方向图，是复激励系数，是传播常数，是天线阵元位置；
[0049]
s104：计算功率方向图期望；
[0050]
根据天线阵列理想场方向图以及误差模型，通过下式计算含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望，
[0051][0052]
其中，σw是激励幅度误差的方差，σ
ψ
是激励相位误差的方差，是的模；
[0053]
s105:计算功率方向图方差；
[0054]
根据功率方向图期望及误差模型，通过下式计算含单元互耦效应的功率方向图方差；
[0055][0056][0057][0058]
其中，σw是激励幅度误差的方差，σ
ψ
是激励相位误差的方差，是的模，是的幅角；
[0059]
s106:设置概率，计算受到通道误差扰动的含单元互耦效应的天线阵列功率方向图在设置概率下的上下限。
[0060]
可以设置受通道误差扰动的天线阵列功率方向图不超出上下限的概率，受扰动的天线功率方向图在上下限内的概率满足设置的概率要求，通过下式计算受到通道误差扰动的含单元互耦效应的功率方向图在满足设置概率要求下的上下限
[0061]
[0062]
其中,是变量，是设置的概率值；
[0063]
s107:判断含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、方差及上下限是否满足天线阵列电性能要求。
[0064]
s108:若含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、方差及上下限满足天线阵列电性能，则输出天线阵列辐射功率方向图及通道误差模型；若含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、方差及上下限满足天线阵列电性能，不满足天线阵列电性能要求，则返回步骤s102，更新通道误差模型。
[0065]
本实施例中，此方法可用蒙特卡洛模拟方法进行验证，此方法计算得到的含单元互耦效应的天线阵列功率方向图期望、方差与蒙特卡洛模拟方法得到的期望、方差一致。蒙特卡洛模拟方法中模拟出的受到通道误差扰动的含单元互耦效应的天线阵列功率方向图，不超出本方法求出的上下限的概率，满足设置的概率要求。
[0066]
具体仿真方式如下：
[0067]
1、仿真条件
[0068]
天线单元选择为贴片天线，工作在2.45ghz，建立一个单元个数为16，单元间距为0.5λ，放置在yoz面z轴上的线阵，误差模型设置为：幅度误差设置为n(0,0.5^2)的正态分布,单位为db，相位误差设置为n(0,5^2)的正态分布,单位为deg，天线阵列激励设置为副瓣电平为-25db的泰勒分布，概率设置为97％。
[0069]
2、仿真结果
[0070]
采用本发明的方法进行通道误差存在下的含单元互耦效应的天线阵列功率方向图计算，得到含单元互耦效应的功率方向图的均值、方差以及受到通道误差扰动功率方向图在设置97％的不超出上下限概率下的上下限。图2是本发明示例的天线阵列仿真图；图3是hfss仿真软件得到的含单元互耦效应的理想功率方向图与综合得到的含单元互耦效应的理想功率方向图的比较图；图4是2000次蒙特卡洛模拟的展示图；图5是蒙特卡洛模拟方法与本发明方法得到的含单元互耦效应的功率方向图均值的比较图；图6是本发明方法得到的受到通道误差扰动的含单元互耦效应的功率方向图在满足一定概率要求下的上下限；图7是受到通道误差扰动的含单元互耦效应的功率方向图超出本发明方法得到的上下限的概率。
[0071]
可以看出，本方法可以得到可靠的功率方向图的期望和方差，且本发明预测的在一定概率下受扰动功率方向图的上下限，在满足概率要求的同时更加紧凑。
[0072]
综上所述，本发明首先利用hfss或其他仿真软件建立要进行误差分析的天线模型，以相对坐标系，分别以各单元为中心，导出各天线单元的有源单元方向图；其次，根据阵列天线加工制造误差，建立天线单元的通道误差的正态分布模型，确定激励幅度误差和相位误差的方差；再次，分别计算含单元互耦效应的天线阵列理想场方向图；然后，依次计算含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的方差与满足一定概率要求下受扰动含单元互耦效应的天线功率方向图的上下限；最后，判断含单元互耦效应的天线阵列功率方向图的期望、方差及上下限是否满足天线阵列电性能要求，以此指导阵列天线加工与制造时允许的误差范围。
[0073]
本发明基于概率方法分析通道误差对含单元互耦效应天线阵列功率方向图的影
响，在保证计算精度的前提下，可以适用于任意天线阵列，更加接近实际天线阵列效果，且避免了繁琐的蒙特卡洛模拟，提高分析效率；本发明从概率的角度出发，获得天线功率方向图受通道误差扰动后的均值、方差与满足设置概率要求下的天线阵列功率方向图的上下界，受扰动的天线功率方向图不超过上下限的概率满足设置的概率要求，且上下界在保证分析准确性的同时更加紧凑。
[0074]
上述是本发明的较佳实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。