课件第三章要点.ppt

1、毫米波通信技术刘发林电子工程与信息科学系2012年9月第三章、毫米波天线 研究生选修课 ESD5302中国科学技术大学2 3.1 引言 3.2 天线基础 3.2.1 天线辐射的基本原理 3.2.2 天线的特征参数 3.3 反射面天线、透镜天线和喇叭天线 3.3.1 口径面天线基础 3.3.2 反射面天线 3.3.3 透镜天线 3.3.4 喇叭天线 3.3.5 多频段共用天线 3.4 微带与印制电路天线 3.4.1 微带天线的基本类型 3.4.2 微带天线的辐射特性 3.4.3 新型结构的微带天线 3.5 相控阵天线 3.5.1 相控阵天线原理 3.5.2 相控阵天线的互耦问题 3.5.3 相控

2、阵天线的馈电方式 3.5.4 相控阵天线的新技术 3.6 自适应天线 3.6.1 自适应天线的基本原理 3.6.2 自适应波束形成算法 第三章、毫米波天线 3n小尺寸n高增益n波束窄毫米波天线概述3.1 天线引言通信系统的窗口收发最前端频率（f）GHZ波长（毫米）厘米天线直径AD4平方厘米天线口径面积A天线效率设为50%4n左边是发射（接收）电路n右边是信道n上面是各种先进技术（纳米天线）n下面是材料（纳米、左手材料等）By Dr.陈志宁，IEEE Fellow毫米波天线概述续13.1 天线引言以系统的观念看天线：因此，天线的设计可以在考虑上述各个方面的情况下，进行综合设计。例如滤波、天线共设

3、计5n面天线：抛物面、卡赛格伦、网状、微带n线天线：耦极子、鞭状、八木n其他天线：喇叭、透镜、缝隙n新型技术：共形天线、赋形天线、频段公用 智能天线、数字波束形成等、等离子天线毫米波天线概述续23.1 天线引言请列举天线形式！6n方向图n波瓣宽度与副瓣n方向系数与增益n输入阻抗n带宽n有效面积n天线噪声温度天线基本特性-15-10-5051015-30-25-20-15-10-50Antenna Beam(Right-Oriented)Angle(Degree)Relative(dB)3.2 天线基础7天线基本特性续13.2 天线基础天线辐射场：n近区场复杂，需要场分析或路分析n远区场为球面波

4、，传播方向为n信号能量按照 衰减HES)4/(12R电磁场基本方程（Maxwell方程）边界条件n需要熟悉球坐标场表达式EEErHHHr8n方向图：归一化场强n有相互垂直的E面和H面方向图天线电气参数3.2 天线基础副瓣主瓣02rad角度2SLL3 dB主瓣最大辐射方向G各向同性电平2/1图3-4 天线方向图（直角坐标表示）max/),(),(EEF左右某种程度对称9n方向系数与增益n n辐射效率n理想偶极天线增益为1.76dB（1.5）AavUUD4),(),(40000150004/),(),(DPUGrin3.2 天线基础波束立体角经验公式GGlg20),(dB表示用inrrPP/天线电

5、气参数续110极化n线极化n垂直极化VVn水平极化HHn圆/椭圆极化n左旋圆极化n右旋圆极化n极化复用n交叉极化要低n极化失配3.2 天线基础EEEEEE(a)(c)(e)(b)(d)(f)天线电气参数续211圆极化特性n圆/椭圆极化波均可分解为两个相互正交的线极化波。n当两正交线极化波振幅相等，相位相差90时，则合成圆极化波；n振幅不等时，合成椭圆极化波。圆极化产生n合成产生：可由两个正交的线极化电场合成n直接产生：螺旋天线产生圆极化波，电磁波的旋转方向与螺旋线的绕向一致3.2 天线基础天线电气参数续312n输入阻抗n重要参数，通常以VSWR测量确定该阻抗。n包括电阻和电抗、需要匹配电路n接

6、收天线的阻抗近似为接收机的输入阻抗。n带宽n1dB带宽，3dB带宽等。n有效面积n遮挡、倾斜等均会影响有效面积。3.2 天线基础24eAG 2004AG 天线电气参数续413n天线噪声温度n接收噪声功率 n传输效率fkTBkTPAA3.2 天线基础0)1(TTTFaFA290 0KFFL/1馈线损耗)(/RATTGTGn追求最佳G/T值而不是最大增益，是现代卫星通信地面站的设计原则 200sin,41ddGTTba 是某接收方向 上的亮温，是实际亮温的加权平均，也称天线截获的外界噪声的等效噪声温度,bTaTn传输系统品质因素：定义为增益和噪声温度之比oRRTNFT)1(天线电气参数续514n通

7、信传输系统的方程n工程上用dB表示如下通信基本传输方程3.2 天线基础frttrttrLGGPRGGPP/4224RLf自由空间损耗44.32lg20lg20MHzfKmRdBGdBGdBWPdBWPrttrttGPEIRP 等效全向辐射功率：若f用GHz表示，则92.4415最小可检测信号电平3.2 天线基础kTSNRNFBkT16通信链路计算举例（p116）3.2 天线基础一星上接收系统，f30.0GHz（频带中心），接收天线口径尺寸D1.0m，天线效率0.6，馈线损耗因子LF1.5dB，接收机噪声系数NF3.4dB，天线噪声温度Ta290K，环境温度To290K；地球站位于卫星接收天线3

8、dB覆盖边缘，其最大发射功率为PT20W，EIRP66dBW，星-地典型斜路径长度39500km，不考虑大气吸收损耗和天线指向损耗试求出卫星接收天线的G/T值和所接收的信号功率大小。17通信链路计算举例（p116）续13.2 天线基础波长0.01m卫星接收天线增益dBDAGer7.479.59217422接收机的等效噪声温度 TR=(NF-1)T0=(10NF/10-1)T0=(10 3.4/10-1)x290 344.5K TA=Ta/LF+(1-1/LF)T0=290/101.5/10+(1-1/101.5/10)x290=290KTS=TA+TR=344.5K+290K634.5 K=2

9、8.0dBK系统的G/T值为：G/T=Gr-TS=19.7dB/K折合到LNA输入端：(G/T)=G/T-1.5=18.2dB/K18通信链路计算举例（p116）续23.2 天线基础地球站最大发射功率PT20W=13 dBW EIRP=GTPTEIRP=GT+PT=66 dBW所以：GT=66-13=53 dB由于地球站位于卫星接收天线3dB覆盖边缘，所以，实际接收功率为：Pr=-102.2 dBW-3=-105.2dBW=3.02x10-11 W 44.32MHzlg20kmlg20dBdBdBWdBWfRGGPPrTTr Pr=13+53+47.7-20 lg(39500)-20 lg(3

10、0000)-32.44 66+47.7-91.6-91.9-32.4 -102.2 dBW19口面天线基本原理3.3 喇叭天线图3.6 惠更斯原理示意图次级波源 波前（a）平面波（b）球面波口面绕射理论分析惠更斯原理n 波前上的每一点都可以看作是次级波源n 这些次级波源辐射球面波n 其包络又在传播方向上叠加形成新的波前。n 菲涅尔（Fresnel）指出，这些次级波源产生的场强是按相位叠加的。203.3 喇叭天线口面天线基本原理续1等效性原理分析n 对于任何场源，都可用一封闭面将它包围起来；n 只要确定了该封闭面上的表面场分布Es和Hs，就能用等效电流源和磁流源求出封闭面外部空间的辐射场。等效原

11、理在分析电磁场绕射和散射时非常有用，可据此推导计算口径面天线辐射场的绕射积分公式。SSHnJSSEnJmn 等效性原理示意图21喇叭天线EaEa(a)H-面扇形喇叭(b)E-面扇形喇叭(c)角锥喇叭(d)圆锥喇叭3.3 喇叭天线n 口面场相位不均匀引起效率下降n 扇型喇叭效率一般为0.64n 角锥喇叭效率一般为0.51n 相位中心22喇叭天线口面与增益3.3 喇叭天线23双模圆锥喇叭与口面场分布xyxxyy模11TE模11TM双模2ab0dl（a）几何结构（b）口径场分布3.3 喇叭天线n 作为天线时，一般用主模TE11n 作为初级馈源时，场要均匀，一般用混合模TE11TM11。24抛物面天线

12、的几何关系P准线f(x,z)zxFOf00t te en ne eD3.3 反射面天线n 单反射面n 抛物面n 平行波束输出n 遮挡有影响n 口面效率0.625卡塞格伦天线3.3 反射面天线n 两个反射面，设计灵活n 馈源馈线短，便于调整n 馈电网络组合，可实现多波束或赋形波束n 交叉极化小，适于双频段共用n 有支架遮挡，大口面时影响才小26偏置反射面天线3.3 反射面天线抛物面F馈源(a)偏置抛物反射面天线主反射面FF副反射面(b)偏置卡塞格伦天线馈源n 单面、双面等多种形式n 去遮挡、馈源与发射面高度隔离n 初级馈源口面可以增大，有利于改善初级馈源辐射方向图n 交叉极化大，不利于复用27偏

13、置反射面天线3.3 反射面天线表3-1 反射面天线类型及其性能比较天线类型天线类型效效 率率第一旁瓣第一旁瓣（dB）其他旁其他旁瓣瓣设计加工的难设计加工的难易程度及结构易程度及结构合理性合理性前馈抛物面前馈抛物面天线天线变形卡塞格伦变形卡塞格伦天线天线偏置反射面偏置反射面天线天线0.600.650.700.750.700.78-20-23-17-19-30好好较好较好好好好好一般一般差差28赋形天线 3.3 反射面天线赋形天线方向图n 达到一定区域的匹配覆盖n 可改善不同波束之间的空间物理隔离，便于卫星通信n 一般需要多馈源调整n 需波束形成馈电网络29组合馈源产生的多个子波束312馈源喇叭配

14、置馈源3子波束覆盖馈源1子波束覆盖馈源2子波束覆盖馈源1和2子波束覆盖馈源2和3子波束覆盖馈源1和3子波束覆盖馈源1、2和3子波束覆盖3.3 反射面天线30地面站和卫星天线的技术要求ITUR关于卫星通信天线的建议地球站天线地球站天线n S.465-5：协调和干扰估算模型n S.731：交叉极化协调和干扰估算模型n S.58-5：GEO卫星地球站天线辐射方向图卫星天线卫星天线 n S.672-2：GEO卫星固定业务天线方向图既要通信有效、又要干扰受限3.3 反射面天线31多波束天线n 有效的极化和空间隔离n 细分服务区域，提高服务质量、提高EIRPn 自适应调零，降低干扰n 自适应重建，适应移动

15、区域服务（空间计划）n 地面站多波束接收天线（多任务、多卫星）3.3 反射面天线32ACTS快跳多波束天线 3.3 反射面天线33表3-2 各种卫星通信业务对MBA的功能、特性要求系统类型系统类型业务种类业务种类对对MBA的功能、特性要求的功能、特性要求固定业务卫星通信（C/Ku/Ka）大容量通信VSAT通信设置灵活的线路增益高波束隔离度高（低副瓣、低交叉极化、低相交电平）波束赋形、波束重构 广播电视卫星通信（Ku）区域广播增加通道高波束相交电平低副瓣（-30dB以下）低交叉极化（主轴方向-40dB以下）赋形波束和全国广播波束共存 移动业务卫星通信（UHF/L/S/X/Ka）海事移动卫星业务航

16、空移动卫星业务陆地移动卫星业务卫星数据中继增益高、多波束高相交电平波束可控、波束重构展开天线3.3 反射面天线34表3-3 三种类型多波束天线的比较天线型式天线型式优优 点点缺缺 点点多波束反射面天线结构简单重量轻设计成熟需采用偏置结构以避免馈源阵列的遮挡宽角扫描性能差多波束透镜天 线不存在馈源阵列的遮挡良好的宽角扫描性能设计的自由度大存在表面失配和介质损耗比反射面天线结构复杂工作频率较低时质量重、体积大 多波束阵列天 线在辐射单元级实现功率放大后合成输出没有泄漏损失无口径遮挡波束间隔容易控制存在波束形成网络损耗频带窄结构复杂成本高3.3 反射面天线35多波束反射面天线的基本结构n 简单型：波

17、束喇叭一一对应n 复合型：喇叭组合、波束形成网络控制4351267波 束1234567喇 叭123456712111013439145128197615161718波 束1234567 喇 叭1,2,3,4,5,6,71,2,3,7,8,9,191,2,3,4,9,10,111,3,4,5,11,12,131,4,5,6,13,14,151,5,6,7,15,16,171,2,6,7,17,18,19主反射面馈源阵列Tx/Rx主反射面馈源阵列BFNTx/Rx(a)简单型(b)复合型馈源结构3.3 反射面天线36图3.20 利用多层介质滤波器（反射和透射）的双频段共用天线 多层介质滤波器 Ku

18、频段双工器 天线主反射面 喇叭 喇叭 Ka 频段双工器 14/12GHz 30/20GHz 3.3 反射面天线37图3.21利用同轴喇叭多频段馈源共用天线 35GHz 28GHz 18GHz 12GHz 副反射面 主反射面 3.3 反射面天线38图3.22 利用集束波导的三频段共用接收天线 主反射面 集束 波导 Ku、Ka 共用馈源 变张角喇叭 S 频段螺旋阵列天线及馈源 副反射面 3.3 反射面天线39透镜天线3.3 透镜天线n 可用几何光学的两个基本原理描述n 波束光程相等原理n 折射与透射原理n 用透镜修正了边缘的相位差，效率可提高到70以上40透镜天线实测方向图8mm波段口径80mm低

19、副瓣天线 角度()E 面 增益(dB)角度()H 面 增益(dB)3.3 透镜天线41Rotman透镜天线 阵列天线波前输出端口波束端口聚焦区 Bootlace透镜区n 利用不同的波束端口，可实现一定范围的扫描n 多波束、恒定波束宽度n 宽带天线，可达倍频程3.3 透镜天线42微带天线优点：n 剖面低、体积小、重量轻；n 平面结构，可与导弹、卫星等表面共形；n 馈电网络可与天线结构一起制成，适合于采用成本较低的照相蚀刻技术生产；n 能够与有源器件和电路在基片上集成为单片器件；n 便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等。微带天线3.4 微带天线43微带天线的主要限制有：n 频带较窄，微带天线的

20、工作带宽一般不超过7；n 导体损耗、介质损耗和表面波导致辐射效率降低和方向图畸变；n 公差要求较高、功率容量较小；n 仅适于毫米波低端频率n 介质基片材料对天线电性能影响较大n 等等。微带天线续13.4 微带天线44微带天线基本类型微带线 导体贴片 介质基片 接地板导体振子接地板槽线（a）微带贴片天线（b）微带振子天线接地板微带线缝隙（c）微带缝隙天线微带线接地板（d）微带行波天线3.4 微带天线45阵列馈电：阵列馈电：串连/并联两种方式微带天线分析方法分析方法：分析方法：n 传输线模型基本方法(传统方法)n 基于谐振的腔体模型n 直观，但未考虑垂直于基片的场变化，表面损耗效应等n 严格解n

21、是基于Green并矢函数的积分方程法。设计无穷远积分，可能有收敛问题。3.4 微带天线46微带天线辐射特性：半波长谐振子z（b）显示电场的侧面图xLtE馈线介质基片接地板yzxLW贴片t介质基片接地板（a）矩形贴片微带天线的几何形状馈电端激励起电场（Z向），辐射集中在接地板上方rdL49.049.022)(190WLZrrA3.4 微带天线47微带天线方向图一般表达式3.4 微带天线)cossin2cos(sinsin2)sinsin2sin(,000LkWkWkf （E面，）（H面，）)sin2cos(,0ELkF0sin2)sin2sin(cos,00HWkWkF9048新型结构微带天线天

22、线基片微带贴片单元接地板耦合孔微带线馈线基片窗孔耦合馈电结构示意图多层馈电结构：隔直、保证带宽同时克服馈电寄生辐射辐射单元与馈电单元不在同一平面上，属于非接触式馈电3.4 微带天线49宽带多频段微带天线频带窄主要受输入阻抗带宽的限制；根本原因是在于微带天线的谐振特性（等效为一个高值的并联谐振电路）。n 频带展宽的基本途径是降低等效谐振电路Q值。n 目前解决带宽问题的主要方法有：改变贴片的形状、介质厚度或介电常数；附加寄生贴片单元；采用多层耦合结构；利用变容管改变贴片边缘辐射的电感和电容；采用具有固有宽带特性的螺旋形或蝶结形贴片单元等。n 工作频带的展宽往往是以体积的增大和效率的降低为代价。n

23、卫星通信系统等要求天线能够双频或多频段圆极化工作。微带天线实现双频或多频段工作的基本方法：n 多片法：利用谐振频率不同的多个贴片来工作n 单片法：采用一个贴片，而利用具有不同谐振频率的模式同时工作3.4 微带天线50微带阵列天线n 微带辐射单元一般是低增益、低辐射效率、窄带和宽波束特性。n 为满足通信和雷达系统中高增益、窄波束的使用要求，通常需要采用大量辐射单元组成微带阵列天线。n 目前技术，采用适当的方法可在100GHz时保持微带贴片阵列具有很高的增益、良好的方向图以及合理的效率。n 微带阵列天线的优点之一是，馈电网络和辐射单元可以印制在同一张电路板上。n 而相位扫描微带阵列天线还可以利用M

24、MIC技术来进行制造。n 微带阵列天线的形式和结构：多种多样，如微带贴片阵列天线、微带振子阵列天线以及串馈、并馈、扫描和极化捷变微带阵列天线等3.4 微带天线51微带阵列天线串馈和并馈(a)串联馈电结构(b)并联馈电结构串馈：n 长度短、损耗小n 设计复杂、互相牵连并馈：n 冗余多、损耗大n 设计简单复杂、大型阵列中一般采用串馈和并馈结合方式3.4 微带天线52单片集成相控阵天线图3-31 单片集成相控阵天线结构3.4 微带天线子阵射频馈线半导体基片下有金属网的子阵（加阴影线的）保护罩 带半导体有源子阵的阵面 控制板（移相器 驱动器，偏压电路）射频功率分配网络53等幅同相激励微带阵列天线（b）

25、由子阵组成的16元阵列（a）由四个贴片单元组成的子阵列AABCAADdd02Z02Z01Z01Z01Z01Z03Z04ZCZBZn 阻抗匹配问题3.4 微带天线54阵列微带天线n 设计举例N4n为例n 设计f=30GHz，r=2.2mmrd7.6/mmLd3.349.0mm5.4W200，则可求出若阻抗为阵元数为N、阵元间距为d=0.8的微带阵列天线增益为NNdNdNdNLLAGyxe04.88.0444442222222N 16 64 256 1024G(=0.5)64.32 257.3 1029.1 4116.5GdB 18.1 24.1 30.1 36.1N过大时，互耦严重，效率降低，到

26、303.4 微带天线55相控阵天线发展3.5 相控阵天线n 微波频段相对成熟n 毫米波固态电路、计算机及数字信号处理技术发展促成n 相控阵天线技术在通信领域受到广泛重视，并得到了迅速发展。n 相控阵天线可以使卫星或者地面通信系统“动中通”，波束快速扫描，控制贯量很小，星上控制易。n 相控阵天线技术已是近年来通信卫星有效载荷中发展很快的一项关键技术。n 大、中、小卫星，采用直接辐射的相控阵天线或者馈源阵列采用相控的反射面天线可以极大改善卫星系统波束覆盖的灵活性，由此将带来整个卫星系统性能的全面提升。56相控阵天线原理3.5 相控阵天线阵列天线与方向图乘积定理：n 如果直线阵中各天线单元具有相同的

27、型式，且方向图基本一致，则阵列天线的方向图等于单天线方向图与阵列因子的乘积 AFfE阵列因子单个天线的方向图n 阵列因子仅仅与阵元个数、间距、激励电流的幅度和相位有关，可假想为各向同性辐射单元组成的阵列的方向图57相控阵天线原理续13.5 相控阵天线 AFfeIfENndkjnn10cos0阵列因子单个天线的方向图0r12nN1d2dnd 102104NnnrjnnnNnnrefIKEEn 1024NnnrjnreIfKEn假定各单元方向图相同，10cos0NndkjnneIAF对于N元等间距线阵，58等幅激励等间距线性相控阵天线3.5 相控阵天线d移相器通过移相器，令，jnnneaI 101

28、0cos0NnnjNndknjeeAFcos0dk式中，00cosdk令：)cos(cos00dk有，最大指向在0方向，调节可波束扫描。相控阵天线波束扫描593.5 相控阵天线波束指向函数与最大方向)sinsin(2)sinsin(2sin)(00BBNdkNdkNAF，可得令：Bdkcos0dkB01/sin此时，最大指向在B方向，调节可波束扫描。相控阵天线波束扫描续1B，对应于最大波束指向）（时，当1AFNB603.5 相控阵天线波瓣宽度NdB51cos12/1可见，波瓣宽度不但与N有关，还与B有关，最大指向越偏离法向，宽度越宽。相控阵天线波束扫描续2，可以求出波瓣宽度）（令，707.0A

29、FN，可得对于半波长间距，即2/dBNcos1022/1613.5 相控阵天线天线增益最大指向B越偏离法向，增益越低。相控阵天线波束扫描续3NNNdAGe)4/(4)(44222220BBBNGGcoscos)(0623.5 相控阵天线波瓣零点和副瓣电平BpdNpsinsin10第一副瓣-13.4dB，第二副瓣-17.9dB相控阵天线波束扫描续4可得零点位置，）（令，0AFN的极大值，可得于个副瓣最大值对应第)(AFnBnNdlsin)12(sin12/)12(1)(AFlnN第n个副瓣电平为，63相控阵天线波束扫描续53.5 相控阵天线可以分别求出n 波束指向：可连续控制，也可数控步进n 波

30、瓣宽度：偏离正前方越多，波瓣越宽n 增益：越靠近正前方，增益越高n 波瓣零点和副瓣电平n 呈现出一定的周期变化n 波束扫面导致栅瓣与天线最大单元距离的限制n 一般情况下，距离大于波长时，可能出现栅瓣。64相控阵天线波束扫描续63.5 相控阵天线示例1、四元阵列天线的波束四元阵列天线合成波束随各单元依次馈电相位差变化形成扫描65平面相控阵天线3.5 相控阵天线n 面阵天线可进行二维波束扫描n 面阵天线的分析，可以应用与线阵类似的方法。n 等幅激励条件下，平面相控阵天线方向图可看成是两个正交线阵方向图的乘积。n 若为了获得低副瓣电平，平面阵列需要采用幅度渐变。zxy(m,n)dxdy单个平面相控阵

31、天线的波束扫描范围一般不超过50。为了使波束扫描范围扩展，需要配置多个平面相控阵天线。663.5 相控阵天线 馈电喇叭短路器 (a)反射式阵列次级阵面 初级阵面（平面）馈电喇叭 (b)透镜式阵列准光学空间馈电方式67强制馈电方式的馈电网络结构3.5 相控阵天线0辐射单元移相器功率分配器（隔离式）功率分配器（非隔离式）12360616263匹配负载n 幅度、相位控制n 串馈、并馈结合68相控阵天线的互耦问题 3.5 相控阵天线n 互耦普遍存在，边缘辐射效应，产生互耦n 毫米波段互耦更为严重n 单元所处位置影响互耦程度n 互耦影响阻抗，导致匹配下降n 分析方法主要有阻抗分析法互耦影响n 引起激励电

32、流变化n 引起单元反射增加n 产生盲点、凹陷或零点69相控阵天线的互耦问题分析 3.5 相控阵天线阻抗法：将阵列中各天线单元之间的关系视为多端口耦合网络。对于一个N单元的相控阵天线，可以通过一个N阶的阻抗矩阵Z来表征天线单元的激励电流与馈电网络所提供的电压之间的关系，即，互阻抗非零NNNNNNNNIIIZZZZZZZZZVVV2121222211121121，无互阻抗线上各项，无耦合时，仅有主对角NNZZZ00000022110Z激励电流发生变化理想情况70相控阵天线的互耦问题分析续1 3.5 相控阵天线 阻抗变化，引起反射变化，通常造成更大的失配，使得反射增加。场强如下：NNNNNNNNVV

33、VCCCCCCCCCeee2121222211121121互耦项的存在，一般使得反射增加式中，Cki 反应第 i 个单元对第 k 个单元反射的影响，与天线形式、阵元形式、间距、扫描等有关。71相控阵天线的互耦问题分析续2 3.5 相控阵天线n 互耦产生“盲点”现象n 天线单元的增益与反射系数有关n 由于互耦，当天线波束扫描至某一方向时（如接近栅瓣的方向），可能会出现最大反射点，反射系数接近1。n 导致加在天线单元上的激励信号几乎全部被反射回来，从而使得在这一方向上的天线单元方向图出现一个很深的凹口，甚至零点。n 与此相应，整个阵列的增益将急剧下降。这一现象称为“盲点”，这时的波束指向也称为“盲

34、角”。72图3.38 Butler多波束形成网络（BFN）88 网络。当信号由Butler矩阵不同的端口输入时，可以形成对应于8个不同指向的波束。3.5 相控阵天线 0 3 2 1 4-90 基本的定向混合器（3dB 电桥）输入端（n=8）R1 L4 R3 L2 R2 L1 R4 L3 移相器 3dB 电桥 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 输出端（n=8）A1 67.5 67.5 22.5 22.5 45 45 45 45 相控阵天线的新进展 多波束相控阵73图3.39 有源相控 阵天线 3.5 相控阵天线 T/R组件模拟或数字波束形成网络 （a）有源相控阵 T/R组件 T/R组件

35、LNA HPA Rx Tx DUP SW DPS ATT SW(b)T/R组件n 每一路T/R组件均包含HPA和LNA，并通过双工器分开74n有源相控阵天线：n多个T/R组建实现，降低损耗，提高灵敏度，可由馈电网络在射频实现，也可通过数字处理实现数字波束成形。天线新技术输出匹配谐波调节天线匹配天线连接件输入输出匹配天线输入3.5 相控阵天线75有源集成天线阵列3.5 相控阵天线763.5 相控阵天线相控阵天线的新进展 DBFn 相控阵天线的波束形成通常是在射频完成的。不易改动。n 要形成的波束数目较多时，硬件实现复杂，且难以调整。n 近二十年来，有源相控阵天线技术迅速发展，数字波束成形（DBF

36、）受到了广泛关注。n 与模拟波束形成网络相比，数字波束形成网络具有不漂移、不老化、工作可靠、可自检、可编程等优点。n 由于有可能保存天线单元上的全部有用信息，DBF几乎包括了对天线单元数字化信号的任何空间域处理。773.5 相控阵天线相控阵天线的新进展 DBF续1n 具有快速、灵活的自适应零点控制，消除或补偿由多路接收或发射通道所引起的幅度/相位误差，以及实现超分辨率和超低副瓣等优越性能。n 数字波束形成（DBF）技术可以应用于接收/发射模式n 接收模式过程举例：n DBF网络首先将阵列各天线单元的接收信号变换成基带信号；n 在DSP中对来自各天线单元的基带信号进行幅度和相位加权等处理；n 实

37、现所要求的波束指向和波束形状控制以及多波束形成。783.5 相控阵天线相控阵天线的新进展 DBF续2n 工程实践表明，DBF可以大大增强相控阵天线的灵活性和自适应能力。n DBF应用的主要限制：系统的复杂性和实时性。n DBF通常分为单元空间波束形成和波束空间波束形成两种不同的处理结构。n 我们将讨论地面或卫星通信系统中数字波束形成网络的基本特点。793.5 相控阵天线单元空间波束形成在单元空间单元空间实现波束形成：n 将阵列中各天线单元输出的数字信号与一组加权系数直接进行加权求和运算，以在特定方向形成波束。n 通过设定合适的加权系数，可以实现波束指向调整、零点控制和波束赋形等功能。803.5

38、 相控阵天线波束空间波束形成在波束空间波束空间实现波束形成：n 是指阵列天线单元的输出信号先经过一个多波束形成网络产生一组相互正交的波束，n 然后每个波束的输出再经加权合成得到所希望的输出。n 通过波束形成网络进行波束空间的预选择，可以大大降低自适应阵列系统的实现复杂程度。81图右：常规馈线网络图下：光控馈电电路 3.5 相控阵天线相控阵天线的新进展光电子技术应用 微波单元微波馈线微波单元已调微波幅相信息的光纤馈线82天线的自适应特性：n 是指天线具有自动调整自身工作参数适应周围环境变化的能力。n 某些方向加强n 某些方向置零n 自适应天线或称自适应阵列通常是一个以阵列天线为基础构成的多通道信

39、号处理系统。n 考虑：单单元天线可否自适应？自适应天线3.6 自适应天线83自适应天线的组成：n 阵列天线 波束形成网络 自适应处理器n 波束形成网络对阵列各天线单元的多通道接收信号进行复（幅度和相位）加权求和处理，形成所需要的方向图，并实现对阵列天线波束指向以及零点位置的控制。n 不同于相控阵天线的预先确定性矢量加权以形成扫描波束或多波束；n 自适应波束形成器的加权矢量需要在一定的优化准则下随时间进行更新。n自适应处理器就是用来对波束形成网络的复加权系数进行实时调整。可划分为信号处理器和自适应算法控制器两部分。自适应天线基本原理3.6 自适应天线84n智能天线自适应天线n数字波束n信号处理正

40、向、逆向自适应天线示意图WNW2W1自适应处理器阵列天线输出信号自适应波束形成器3.6 自适应天线85算法对于自适应天线性能有决定性影响。n 在最优波束形成技术中，自适应算法通常是：n 根据一定的性能准则，获得波束形成器的最佳权矢量，即使性能测度函数（或称为代价函数）为最小的一组加权系数。n 多种优化算法可被采用。n 自适应天线用于抑制干扰时，其核心问题是：n 如何在存在干扰/噪声的环境下改善有用信号的接收性能。n 例如将波束零点指向强干扰处自适应波束形成算法3.6 自适应天线86自适应波束形成计算简例3.6 自适应天线两个全向天线单元组成自适应接收阵列。阵元间距：一载率为f0的窄带信号s(t

41、)，入射方向：同频的干扰信号i(t)，入射方向：如何调整加权系数w1、w2，才能使有用信号无失真输出，而干扰无输出（被抑制掉）？20dsi)exp(ww)()(21ssjtsty)exp(ww)()(21iijtity和按要求：)()(tstys0)(tyi0)exp(ww1)exp(ww2121isjj可求出加权系数87自适应天线的性能分为暂态和稳态两方面n 暂态性能n 指自适应阵列在信号环境变化后达到成功调整参数所需时间。n 与自适应算法的收敛速率直接有关。n 稳态性能n 指自适应天线在经过自适应调整过程后达到稳定状态时的性能n 一般采用最小均方误差(MMSE)、最大信噪比(MSNR)、线

42、性约束最小方差(LCMV)、最大似然(ML)和最小噪声方差(MV)等性能测度来表征。自适应波束形成算法3.6 自适应天线88表36 自适应波束形成算法的比较 LMS最小均方最小均方 SMI采样矩阵求逆采样矩阵求逆 RLS递推最小二乘递推最小二乘 基基 本本原原 理理最陡下降，梯度估计，闭环结构阵列协方差矩阵的直接估计，开环结构类似Kalman滤波的数据加权，闭环结构暂暂 态态响响 应应特特 性性对于大量应用，其失调与收敛速率的折衷是可以接受的达到满意的失调与收敛速率折衷条件下的最快收敛 优于SMI 优优 点点 易于实现，需N 个相关器和积分器，容许硬件误差与特征值散布无关的最快收敛速率同SMI

43、，可以进行不同的数据加权预处理 缺缺 点点 收敛速率对协方差矩阵的特征值散布敏感需用N(N+2)/2个相关器，矩阵求逆需要N 3/2+N 2次足够精度的复数乘法运算需用N(N+2)/2个相关器，计算量较大计算计算量量正比于N正比于N 3正比于N 23.6 自适应天线89图3.48 多波束天线的静态方向图和调零方向图3.6 自适应天线90星载天线技术n毫米波频段用较小口径可达到高增益。n共形天线技术是利用卫星载体上的金属表面或其他特殊材料形成的表面来构成天线单元，并与星体一体化。n用相控阵方法来电控这些表面上的辐射单元，达到波束形成与波束控制的目的。n光学相位控制和分配的多波束形成网络，需研究：

44、n采用新理论和新方法的波束形成网络及自适应控制技术。n宽带内干扰信息的提取算法，包括区分信号方向和干扰方向算法、高分辨率两维方向估计算法等；n天线方向自适应调整算法。3.7 天线综合应用91（1）同一圆轨相邻卫星之间，链路设计简单，可用固定天线。（2）低轨移动卫星之间、卫星与地面之间有相对运动，天线必须具备灵活扫描方式。需采用电扫描天线。（3）地面大型相控阵天线技术在微波频段已经成熟，在毫米波段的研究也在广泛开展。但针对移动卫星系统的毫米波电扫描天线的研究较少。将借鉴已有的相控阵天线技术，研究：n多种天线形式，如微带、缝隙、偶极子等无源天线和有源天线与空间功率合成等；n多种新型传输线相结合的如无辐射介质波导与微带线结合的漏波天线与天线材料等。低轨移动卫星中的天线技术3.7 天线综合应用92（4）空间功率合成可有效地提高天线增益。（5）天线形式与性能和卫星网络的拓扑结构密切相关，合理设计的网络，可以使扫描天线的扫描角度控制在较小的范围内仍能保证有效的通信链路，这样有利于天线的设计实现与电扫控制。同时也可以减小天线副瓣。（6）支持卫星网络的自主运行与自主愈合能力的智能化天线，提高自愈合能力。低轨移动卫星中的天线技术3.7 天线综合应用93应用举例ACTS系统3.7 天线综合应用94应用举例ACTS系统卫星3.7 天线综合应用95谢谢！