阵列天线PPT课件.ppt

1、.通信天线与馈电系统通信天线与馈电系统北京航空航天大学北京航空航天大学电子信息工程学院电子信息工程学院天线系统与微波通信课题组天线系统与微波通信课题组 张张 岩岩2014-10-30.第第六讲六讲 阵列天线阵列天线.3目录 简介简介 天线阵基本理论天线阵基本理论 天线阵的应用天线阵的应用.为什么要采用阵列天线?随着社会发展、技术进步，远距离通信需求对天线增益提出越来越高的增益，多个天线组成阵列可以有效增大天线的电尺寸，进而提供更高的增益。阵列天线不仅可以提高增益，还可以为天线的波束形成提供更多的自由度: 1）阵列形状（线阵、圆环阵、矩形阵）；2）阵列单元之间的相对位置；3）每个单元的激励幅值；

2、4）每个单元的激励相位；5）每个单元的方向图差异。.5天线阵基本理论 二元阵列二元阵列 N元等幅均匀阵列元等幅均匀阵列 N元非等幅均匀阵列元非等幅均匀阵列.二元阵列忽略单元间互耦，远场电场值计算如下：.二元阵列.二元阵列观察点处总电场值等于单个天线在该点处的电场值乘以一个因子，称之为阵因子。阵因子是阵列排布形状和激励相位的函数，通过改变单元间距d、或者单元之间相位差，可以改变阵因子，从而改变阵列的远场方向图。.阵因子两个相同单元组成的二元阵列的远场值等于单个单元的远场值乘以阵因子。适用范围：完全相同的单元组成的阵列.阵因子的几点说明因为阵因子与单个单元方向图特性完全无关，这为我们研究阵列提供了

3、简单的途径，即忽略掉单元方向图的特性，直接以理想点源代替，得出阵因子后，再选择单元形式以满足特定需求。阵因子，一般是阵列单元个数、物理排布、单元的激励幅值、激励相位、空间间距的函数。.实例 d=/4, =0归一化场方向图：零点：.实例.13天线阵基本理论 二元阵列二元阵列 N元等幅均匀阵列元等幅均匀阵列 N元非等幅均匀阵列元非等幅均匀阵列.N元等幅均匀阵列元等幅均匀阵列均匀阵列：1）阵列单元完全相同2）采用相同幅值激励和步进相位激励.N元等幅均匀线阵元等幅均匀线阵n个辐射源均匀分布在z轴上，单元的位置坐标为 ，i=0,1,2,n-1激励相位为可得对于等幅阵列利用等比级数求和公式，简化并取绝对值

4、得idzi0cosikdi10coscos0nijikdieIS10coscos0nijikdeS00coscos21sincoscos2sinkdkdnS.N元等幅均匀线阵.N元等幅均匀线阵=90, d=/4, N=2.N元等幅均匀线阵可化简为.N元等幅均匀线阵求解阵列的零点当n=N,2N,3N ,. 时，上述方程可化简为sin(0)/0 形式，其在0处取极限为1，即为方向图的最大值当n取其他整数时，可以得到方程的各阶零点对于arccos函数，其变量值不能超出1的范围，零点的个数会是阵列单元间距和单元相位激励的函数。.N元等幅均匀线阵求解最大值点：阵列存在唯一的一个最大值点，即m=0求解阵因

5、子的3dB波束点：.线阵实例 1: 侧射阵波束最大指向0=90（线阵沿Z轴），当单元的波束最大指向和阵因子的最大波束指向均指向0=90时，便可达到最佳的侧射阵。对于单元天线的波束指向要求，可以通过选择合适的辐射单元来满足要求对于阵因子的波束指向要求，可以通过合理的调整阵列单元间的间距、每个单元的相位激励实现。.线阵实例 1: 侧射阵侧射阵的条件：阵列单元间的相位差为0，即所有单元采用相同的激励相位.线阵实例 1: 侧射阵 单元间距d会严重影响栅瓣的形成 为了保证不出现较大较明显的栅瓣和旁瓣，单元间距不宜超过一个波长.线阵实例 1: 侧射阵方向性系数 Umax=1, 平均辐射强度U0.线阵实例

6、1: 侧射阵Nkd/2趋于无穷大对于大型阵列.栅瓣对于n元均匀直线阵，如果阵元的间距d超过1，将会出现幅度与主（中心）瓣相等的旁瓣，称为栅瓣，它们与主瓣相隔.3 , 2 , 1arcsinmdmG其中当d 1 时，可近似简化为dmG.线阵实例 2: 常规端射阵阵列单元沿Z轴分布，波束最大指向为Z轴方向（正向或负向），称之为端射阵。端射阵最大波束只指向一个方向，0=0或者180方向，满足相位条件：.线阵实例 2: 常规端射阵为了得到一个唯一的端射最大值，且避免出现较大较明显的旁瓣值，阵列单元间间距应该小于半个波长，即dmax/2 .线阵实例 2: 常规端射阵方向性系数：.线阵实例 2: 常规端射

7、阵.线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵为了提高常规端射阵的方向性系数，且不影响阵列的其他特性，汉森和伍德亚德提出了附加条件来提高方向性系数：具有比常规端射阵更高的方向性系数对于大型阵列，N足够大.线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵常规端射阵和汉森-伍德亚德端射阵3维方向图对比(N = 10,d = /4).线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵d=/2时，虽然副瓣较小，但其背瓣大于最大指向主瓣d=/4时，满足汉森-伍德亚德条件，实现了最大的方向性系数1.2)/2()cos(102/)/(1800NdNkdNkdkd.线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵方向性系数：当比较小 .35天线阵基本理

8、论 二元阵列二元阵列 N元等幅均匀阵列元等幅均匀阵列 N元非等幅均匀阵列元非等幅均匀阵列.36N元非等幅均匀阵列 阵因子比较阵因子比较 二项式分布阵列二项式分布阵列 多尔夫多尔夫-切比雪夫多项式阵列切比雪夫多项式阵列 泰勒分布阵列泰勒分布阵列.37N元非等幅均匀阵列 阵因子比较阵因子比较 二项式分布阵列二项式分布阵列 多尔夫多尔夫-切比雪夫多项式阵列切比雪夫多项式阵列 泰勒分布阵列泰勒分布阵列.阵因子 均匀幅值阵列具有最小的半功率波束宽度 二项式分布幅值阵列能够实现最小的副瓣电平 二项式分布幅值阵列单元间距小于半波长时，副瓣消失.阵因子2M2M+1.阵因子幅值分布关于原点对称，则偶数单元阵列的

9、阵因子奇数单元阵列的阵因子MnnMunaAF1212coscos12cos1112duunaAFMnnM其中，.41N元非等幅均匀阵列 阵因子比较阵因子比较 二项式分布阵列二项式分布阵列 多尔夫多尔夫-切比雪夫多项式阵列切比雪夫多项式阵列 泰勒分布阵列泰勒分布阵列.二项式分布阵列不同阶次的m对应的二项式前的系数可以写成如下的帕斯卡尔三角：函数（1+x）m-1可以使用二项式展开写成多项式相加的形式，如下所示.!3)3)(2)(1(!2)2)(1()1(1)x1(321xmmmxmmxmm.二项式分布阵列二项式分布阵列较为简单，只要确定了单元个数，就可以直接读取获得单元的激励幅值.44N元非等幅均

10、匀阵列 阵因子比较阵因子比较 二项式分布阵列二项式分布阵列 多尔夫多尔夫-切比雪夫多项式阵列切比雪夫多项式阵列 泰勒分布阵列泰勒分布阵列.切比雪夫多项式阵列 切比雪夫多项式阵列类似于均匀阵列和二项式阵列的折中。 无论偶数单元阵列还是奇数单元阵列，阵因子实质上就是M个或M+1个cos函数项的相加，将不同的cosine函数展开可以得到：.切比雪夫多项式阵列阵列单元个数无论奇偶，都可以写成cosine函数相加的形式，这和推导出的切比雪夫多项式具有很大的相似性，那么未知的阵列单元激励幅值就可以通过已知的切比雪夫多项式系数来近似确定。.切比雪夫多项式阵列单元个数为2M或者2M+1，单元间距为d，第一旁瓣

11、的旁瓣电平为R0，切比雪夫阵列的设计流程：a. 根据阵列的单元个数选择阵因子。b. 展开阵因子，使用展开形式代替原来的cos(mu) 函数(m = 0, 1, 2, 3, . .) 。c. 通过给定的旁瓣电平R0 以及Tm(z0) = R0表达式来确定Z0，同时选取的切比雪夫多项式的阶次比阵列单元个数少1。设计过程要求切比雪夫多项式的自变量范围为 1 z z1 ，此时的z1时最接近 z = +1 的零点，用来代表阵列的旁瓣。阵列的主瓣处在 z1 z z0的范围内。.48N元非等幅均匀阵列 阵因子比较阵因子比较 二项式分布阵列二项式分布阵列 多尔夫多尔夫-切比雪夫多项式阵列切比雪夫多项式阵列 泰

12、勒分布阵列泰勒分布阵列.泰勒线阵泰勒线阵线源激励计算线源激励计算线源激励幅度的分布为11)cos()(21)(imnimpmSpIimimiAmmimiimmSiin00)21(1)!1()!1()!1(01)(1122222.泰勒线阵泰勒线阵线源激励计算线源激励计算其中为偶数阵元数为奇数阵元数NNLidNNiLdip12, 2 , 1 , 0i,) 12(21, 2 , 1 , 0,222)21( iAi)(cosh101RA2122Ai.泰勒线阵泰勒线阵比较（等幅）比较（等幅）.泰勒线阵泰勒线阵比较（泰勒分布）比较（泰勒分布）.53目录 简介简介 天线阵基本理论天线阵基本理论 天线阵的应用

13、天线阵的应用.54天线阵的应用 相控阵天线相控阵天线 自适应天线阵自适应天线阵.55天线阵的应用 相控阵天线相控阵天线 自适应天线阵自适应天线阵.相控阵 相控阵是指由大量配相单元组成的阵列 每个单元的相位(和幅度)可变，借以控制波束方向，以及包括旁瓣的波瓣图形状 相控阵能瞬时形成波束，通过适当的馈电网络可以同时形成多个波束.相控阵 波束形成时，无需旋转天线阵列，因此不存在机械问题和惯性问题 在某固定频率或确定的频带宽度上实现波束控制的非频变性.相控阵将三根电缆接至公共馈端，形成边射三元阵为了阻抗匹配，与接收机(或发射机)联接的电缆阻抗应是联接阵元电缆的1/3，或接入3：1的阻抗变换器.相控阵在

14、每个天线单元的馈端以及电缆的公共馈端处各接入一个开关控制联动开关可使波束从边射移到45方向.相控阵 每个阵列单元都有移相器和衰减器，所有馈电电缆都布置成等长度的组合结构.相控阵端馈相控阵也需要逐个单元配有移相器和衰减器，由于在单元之间引入了递进的相位移，随着频率的变化，在额定的相位移之外，还需要附加相反的相位变化作为补偿.相控阵四单元端馈相控阵，每个单元由传输线通过定向耦合器馈电借助物理上沿线滑动的定向耦合器实现相位移，单元的幅度则由耦合度加以控制.63天线阵的应用 相控阵天线相控阵天线 自适应天线阵自适应天线阵.自适应阵和智能阵 由天线单元及其互相连接的传输线在预定方向上产生一个或多个波束，在接收状态下阵列指向给定方向，而不管该方向上是否有信号到达。 对各个阵元接收的信号加以处理，就能使阵列变得积极，并对环境做出聪明的反应，控制波束指向期望信号，而同时使零点指向干扰信号，从而使信噪比最大化，这类天线阵称为自适应阵。.自适应阵和智能阵单元1 下行信号的相位单元2 下行信号的相位参考振荡器的相位021.自适应阵和智能阵当信号来自0和30时对于0信号，零点沿90和270方向对于30信号，零点沿210和330方向