巴特勒矩阵相位加权优化方法及巴特勒矩阵

摘要

本发明公开了一种巴特勒矩阵相位加权优化方法及可以实现该方法的巴特勒矩阵，该方法基于n×n阶巴特勒矩阵，其中n＝2N，N为正整数，包括：在每个输入端口处分别设置一个可调移相器；n个输入信号分别经过对应的输入端口和对应的可调移相器后，进行N级矢量合成，并从n个输出端口处输出n个输出波束；获取对于任意一个输出波束，在每一级矢量合成中进行矢量合成的两个输入信号之间的相位差理论值和相位差实际值，进而获得两个输入信号之间的相位差误差值；根据相位差误差值，分别计算每个可调移相器所需的调节量并进行调节。根据本发明的巴特勒矩阵相位加权优化方法，能够降低巴特勒矩阵的相位偏差，提高巴特勒矩阵波束合成性能。

说明书

技术领域

本发明涉及微波通信技术领域，尤其是涉及一种巴特勒矩阵相位加权优化方法及可以实现该方法的巴特勒矩阵。

背景技术

巴特勒矩阵是一种等幅相位加权网络，用于多波束合成，通过3dB正交分支线耦合器(或者180°环形耦合器)和若干个固定可调移相器实现不同的相位加权，形成多个不同指向的波束。采用巴特勒矩阵方式实现多波束，每一个波束均利用了整个阵面的所有辐射单元，因此对于相控阵波束合成，是一种无损的多波束合成方法。理想的巴特勒矩阵形成的多个波束之间具有正交性，每个波束的峰值和其他波束零值重合，波束之间相互干扰最小。

但是现有的巴特勒矩阵，在加工、制造过程中的各种误差很容易带来幅度和相位的偏差，进而影响到相控阵关键技术指标，如波束指向、最大旁瓣、积分旁瓣、波束隔离度、抗干扰能力等。这也就使得巴特勒矩阵目前主要还是应用在规模较小，而且对波束合成精确度要求不高的领域，如5G通信领域，而巴特勒矩阵在微波频段、大规模有源相控阵雷达领域的应用则还是非常少见的，因此需要提升巴特勒矩阵的波束合成精度。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种巴特勒矩阵相位加权优化方法，能够降低巴特勒矩阵的相位偏差，提高巴特勒矩阵波束合成性能。

本发明还提出了一种能够实现上述巴特勒矩阵相位加权优化方法的巴特勒矩阵。

根据本发明第一方面实施例的巴特勒矩阵相位加权优化方法，基于n×n阶巴特勒矩阵，所述n×n阶巴特勒矩阵具有n个输入端口及n个输出端口，其中n＝2

根据本发明实施例的巴特勒矩阵相位加权优化方法，至少具有如下有益效果：通过算法计算对于每一个输出波束，在每一级矢量合成中，进行矢量合成的两个输入信号的相位差理论值，再通过实际测试获取这两个输入信号的相位差实际值，进而获得两个输入信号之间的相位差误差值，再计算每个可调移相器所需的调节量并进行调节，从而修正巴特勒矩阵的相位误差。根据本发明实施例的巴特勒矩阵相位加权优化方法，能够获得成品巴特勒矩阵各矢量合成点的理论值与实际值之间的偏差，再通过可调移相器统一进行修正，能够有效修正巴特勒矩阵在制造、加工环节产生的各种相位偏差，提高了巴特勒矩阵波束合成性能，进而增强巴特勒矩阵在大规模阵列波束合成领域的适用性。

根据本发明的一些实施例，n个输入信号进行N级矢量合成的方法为：在第m级矢量合成中，第i个输入信号与第i+n/2

根据本发明的一些实施例，在每一级矢量合成中，分别设置有n/2个耦合器，在第m级矢量合成中，第i个输入信号与第i+n/2

根据本发明的一些实施例，所述耦合器为3dB耦合器或者环形耦合器。

根据本发明的一些实施例，所述n个输出波束呈中心对称，两侧各有n/2个输出波束，对于第一侧的第k个输出波束，在第m级矢量合成中，第i个输入信号与第i+n/2

根据本发明的一些实施例，将第j个输出端口的输出波束记为波束j，计算波束j对应于所述第一侧的第几个输出波束或者所述第二侧的第几个波束，其中j为不大于n的正整数。

根据本发明的一些实施例，对于波束j，在第m级矢量合成中，将第i个输入信号与第i+n/2

根据本发明的一些实施例，计算每个所述可调移相器所需的调节量的方法为：

则第i个可调移相器所需的调节量为C

根据本发明第二方面实施例的巴特勒矩阵，可以实现如本发明上述第一方面实施例所述的巴特勒矩阵相位加权优化方法。

根据本发明实施例的巴特勒矩阵，至少具有如下有益效果：通过采用本发明上述第一方面实施例所述的巴特勒矩阵相位加权优化方法，能够有效修正巴特勒矩阵在制造、加工环节产生的各种相位偏差，提高了巴特勒矩阵波束合成性能，进而增强巴特勒矩阵在大规模阵列波束合成领域的适用性。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的巴特勒矩阵相位加权优化方法的流程示意图；

图2为现有技术中的8×8阶巴特勒矩阵的结构示意图；

图3为本发明实施例的8×8阶巴特勒矩阵的结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，根据本发明第一方面实施例的巴特勒矩阵相位加权优化方法，基于n×n阶巴特勒矩阵，n×n阶巴特勒矩阵具有n个输入端口及n个输出端口，其中n＝2

S100：在每个输入端口处分别设置一个可调移相器，每个可调移相器的输入端分别与对应的输入端口电性连接；

S200：n个输入信号分别经过对应的输入端口和对应的可调移相器后，进行N级矢量合成，并从n个输出端口处输出n个输出波束；

S300：获取对于任意一个输出波束，在每一级矢量合成中进行矢量合成的两个输入信号之间的相位差理论值和相位差实际值，进而获得两个输入信号之间的相位差误差值；

S400：根据相位差误差值，分别计算每个可调移相器所需的调节量并进行调节。

根据本发明实施例的巴特勒矩阵相位加权优化方法，能够获取成品巴特勒矩阵的整体相位差误差值，再通过可调移相器进行修正，有效修正巴特勒矩阵在制造、加工环节中产生的各种相位偏差，提高巴特勒矩阵波束合成性能，进而增强巴特勒矩阵在大规模阵列波束合成领域的适用性。

下面以8×8阶巴特勒矩阵为例具体说明本发明实施例的巴特勒矩阵相位加权优化方法，可以理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对发明的具体限制。

如图2和图3所示，对于8×8阶巴特勒矩阵，n＝8，N＝3，8个输入端口分别为P1至P8，8个输出端口分别为Q1至Q8，从8个输出端口输出的输出波束分别为波束1至波束8。在8个输入端口处设置8个可调移相器，分别为PH1至PH8，其中，图2示出的PH9至PH16为传统8×8阶巴特勒矩阵的固定式移相器，H1至H12为传统8×8阶巴特勒矩阵的矢量合成节点。8个输入信号经过相应的输入端口和相应的可调移相器后，进行3级矢量合成，并从8个输出端口处输出8个输出波束，随后获取对于任意一个输出波束，在每一级矢量合成中进行矢量合成的两个输入信号之间的相位差理论值和相位差实际值，进而获得两个输入信号之间的相位差误差值，进而计算每个可调移相器所需的调节量并进行调节。

n个输入信号进行N级矢量合成的方法为：在第m级矢量合成中，第i个输入信号与第i+n/2

如图2和图3所示，在每一级矢量合成中，分别设置有n/2个耦合器，在第m级矢量合成中，第i个输入信号与第i+n/2

对于n×n阶巴特勒矩阵，n个输出波束会呈中心对称，两侧各有n/2个输出波束，对于第一侧的第k个输出波束，在第m级矢量合成中，第i个输入信号与第i+n/2

将第j个输出端口的输出波束记为波束j，计算波束j分别是对应于第一侧的第几个波束或者第二侧的第几个波束，其中j为不大于n的正整数。具体的计算方法如下：

(1)获取波束j对应的序号L，L＝j-1；

(2)将序号L转换为对应的二进制数字，并将该二进制数字逐位颠倒，再将颠倒后得到的数字转换为对应的十进制数字G；

(3)若G小于n/2，则波束j为第一侧的第(G+1)个波束，若G大于等于n/2，则波束j为第二侧的第(n-G)个波束。

参照下面的表1，以8×8阶巴特勒矩阵为例，波束1对应的序号L为0，0对应的二进制数字为000，逐位颠倒后的数字为000，对应的十进制数字G为0，则波束1对应于第一侧的第1个波束；波束2对应的序号L为1，1对应的二进制数字为001，逐位颠倒后的数字为100，对应的十进制数字G为4，则波束1对应于第二侧的第4个波束；依次类推，可以得到波束1至波束8分别对应于第一侧或者第二侧的第几个波束。可以理解的是，上述方法同样适用于4×4阶巴特勒矩阵、16×16阶巴特勒矩阵等，而不限于此。

表1

对于波束j，在第m级矢量合成中，将第i个输入信号与第i+n/2

计算每个可调移相器所需的调节量的方法为：

则第i个可调移相器的所需的调节量为C

C1

C1

C1

C1

C2

C2

C2

C2

C3

C3

C3

C3

根据上述式子，可以计算得到：

C

C

C

C

C

C

C

C

由上述式子可知，可调移相器PH1的调节量为C

参考图1至图3，下面以8×8阶巴特勒矩阵为例，以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的巴特勒矩阵相位加权优化方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对发明的具体限制。

对于8×8阶巴特勒矩阵，n＝8，N＝3，在8个输出端口P1至P8处设置8个可调移相器PH1至PH8，可调移相器可以采用市面上常见的模拟可调移相器或数字可调移相器。8个输入信号经过对应的输入端口和对应的可调移相器后，进行3级矢量合成，在第一级矢量合成中，m＝1，第1个输入信号与第5个输入信号进行矢量合成，对于8个输出波束，相位差误差值分别为C1

C1

C1

C1

C1

C2

C2

C2

C2

C3

C3

C3

C3

再根据

C

C

C

C

C

C

C

C

综上可以得到，可调移相器PH1的调节量为C

根据本发明第二方面实施例的巴特勒矩阵，通过采用上述巴特勒矩阵相位加权优化方法，提高了波束合成性能，能够适用于大规模阵列波束合成领域。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“进一步实施例”、“一些具体实施例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，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。