[发明专利]一种毫米波阵列天线设计方法及阵列天线装置

说明书

本发明提供了一种毫米波阵列天线设计方法和阵列天线装置，所述设计方法首先设计一个带馈电网络的阵列模型，同时把馈电网络的结构参数同阵元的馈电电流进行等效，从而在阵列综合时直接求得天线的结构参数；用天线阵列的辐射方向图代替阵因子方向图，通过阵列天线的设计指标来设计目标函数，优化算法沿着目标函数的方向搜索阻抗变换器物理尺寸的最优解。本发明在阵列综合过程中考虑了互耦因素的影响，最终的结果不需要再进行耦合补偿，而且通过仿真的方式节约成本、简化了设计流程。采用联合仿真，避免了阵列天线设计优化过程中大量繁琐的工作，达到了天线的自动化设计。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种毫米波阵列天线设计方法及阵列天线装置。

背景技术

随着无线互联网的高速发展，微波频谱资源日益短缺，为了容纳更多用户，未来5G系统向着毫米波频段扩展。对频谱资源的利用接口，即天线，是无线通信系统的重要组成部分。当频谱资源向着毫米波频段扩展的同时，相应的也需要对毫米波频段的天线进行深入研究。与微波相比，毫米波波长短，同样的物理面积，毫米波天线的数目可以做到更多。毫米波天线为阵列天线，有如下的优势：阵列天线增益高，波束方向好控，不仅可用于自适应波束成形，亦可用于最优合并以及动态小区形成。因此，阵列天线是未来的技术趋势。

阵列天线存在着严重的阵元互耦现象，在阵列结束后需要对阵列天线进行耦合补偿。现有技术中，存在以下几种耦合补偿方法：基于理论分析的耦合补偿方法，这种方法计算复杂且不准确，往往需要通过实验或者仿真去获得阵元之间的耦合程度；基于数值的阵元综合方法，通常这种方法以阵因子方向图作为目标方向图，虽然阵因子方向图基本上能决定阵列天线的辐射特性，但是并不能体现阵元互耦对天线性能的影响，耦合效果不准确。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是不能有效解决阵列天线中阵元互耦现象，针对上述技术问题，提出了一种优化的阵元综合方法，以仿真软件得到的天线辐射方向图代替阵因子方向图作为目标方向图，预先设计馈电网络，同时把馈电网络的结构参数同阵元的馈电电流进行等效从而直接求得天线的结构参数；通过目标函数的设计和优化仿真过程来控制阵列综合时算法优化的方向和速度，从而实现天线辐射方向图和优化算法的联合仿真，在阵列综合过程中考虑了互耦因素的影响，最终的结果不需要再进行耦合补偿，而且通过仿真的方式节约成本、简化了设计流程。

根据本发明的一个方面，提供了一种毫米波阵列天线设计方法，所述方法包括：通过软件仿真得到阵列天线的辐射方向图，并以所述辐射方向图为阵列天线模型目标方向图；

所述方法还包括如下步骤：设计带馈电网络的阵列天线模型；

所述方法进一步包括：将所述馈电网络的结构参数同所述阵列天线模型中阵元的馈电电流进行等效，从而求得阵列天线结构参数；

所述方法进一步包括：对所述阵列天线结构参数的编解码；

所述方法还包括：通过阵列天线的设计指标来设计目标函数，通过优化仿真工具实现优化算法，以所述辐射方向图来计算适应度值，获得最优的目标函数；

所述目标函数如下：

其中

式中max(G(θ))是所述辐射方向图中最大旁瓣，SLL₀为副瓣电平要求。

上述方案中，所述将所述馈电网络的结构参数同所述阵列天线模型中阵元的馈电电流进行等效；进一步为：用阻抗变换器的物理尺寸去等效每个阵元的激励电流幅度。

上述方案中，所述阵列天线模型中阵元采用插入式馈电。

上述方案中，所述编解码进一步为，编码过程为对结构参数进行二进制编码；解码过程为将二进制编码转换为十进制。