阵列天线课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,通信天线与馈电系统,北京航空航天大学,电子信息工程学院,天线系统与微波通信课题组,张 岩,yanzhang,2014-10-30,.,通信天线与馈电系统北京航空航天大学.,第,六讲 阵列天线,.,第六讲 阵列天线.,目录,简介,天线阵基本理论,天线阵的应用,3,.,目录简介3.,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；,4,）每个单元的激励相位；,5,）每个单元的方向图差异。,.,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,天线阵基本理论,二元阵列,N,元等幅均匀阵列,N,元非等幅均匀阵列,5,.,天线阵基本理论二元阵列5.,二元阵列,忽略单元间互耦，远场电场值计算如下：,.,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.,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。,.,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,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,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。,.,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,实例,d=/4,=0,归一化场方向图：,零点：,.,实例 d=/4, =0零点：.,实例,.,实例.,天线阵基本理论,二元阵列,N,元等幅均匀阵列,N,元非等幅均匀阵列,13,.,天线阵基本理论二元阵列13.,N,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元等幅均匀阵列均匀阵列：.,N,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，简化并取绝对值得,.,N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,N,元等幅均匀线阵,.,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=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阵列的零点当n=N,2N,3N ,.,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,求解阵因子的,3dB,波束点：,.,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,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: 侧射阵波束最大指向0=90（线阵沿Z轴）,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: 侧射阵侧射阵的条件：阵列单元间的相位差为0,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: 侧射阵单元间距d会严重影响栅瓣的形成.,线阵实例,1:,侧射阵,方向性系数,Umax=1,平均辐射强度,U,0,.,线阵实例 1: 侧射阵方向性系数Umax=1, .,线阵实例,1:,侧射阵,Nkd/2趋于无穷大,对于大型阵列,.,线阵实例 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,当,d, 1,时，可近似简化为,.,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,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: 常规端射阵阵列单元沿Z轴分布，波束最大指向为,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d,max,/2,.,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,线阵实例,2:,常规端射阵,方向性系数：,.,线阵实例 2: 常规端射阵方向性系数：.,线阵实例,2:,常规端射阵,.,线阵实例 2: 常规端射阵.,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-伍德亚德端射阵为了提高常规端射阵的方向,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-伍德亚德端射阵常规端射阵和汉森-伍德亚,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,.,线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵d=/2时，虽然副瓣较,线阵实例,3:,汉森,-,伍德亚德端射阵,方向性系数：,当,比较小,.,线阵实例 3: 汉森-伍德亚德端射阵方向性系数：当比较小,天线阵基本理论,二元阵列,N,元等幅均匀阵列,N,元非等幅均匀阵列,35,.,天线阵基本理论二元阵列35.,N,元非等幅均匀阵列,阵因子比较,二项式分布阵列,多尔夫,-,切比雪夫多项式阵列,泰勒分布阵列,36,.,N元非等幅均匀阵列阵因子比较36.,N,元非等幅均匀阵列,阵因子比较,二项式分布阵列,多尔夫,-,切比雪夫多项式阵列,泰勒分布阵列,37,.,N元非等幅均匀阵列阵因子比较37.,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,.,阵因子均匀幅值阵列具有最小的半功率波束宽度.,阵因子,2M,2M+1,.,阵因子2M2M+1.,阵因子,幅值分布关于原点对称，则偶数单元阵列的阵因子,奇数单元阵列的阵因子,.,阵因子幅值分布关于原点对称，则偶数单元阵列的阵因子奇数单元阵,N,元非等幅均匀阵列,阵因子比较,二项式分布阵列,多尔夫,-,切比雪夫多项式阵列,泰勒分布阵列,41,.,N元非等幅均匀阵列阵因子比较41.,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,.,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,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,.,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,N,元非等幅均匀阵列,阵因子比较,二项式分布阵列,多尔夫,-,切比雪夫多项式阵列,泰勒分布阵列,44,.,N元非等幅均匀阵列阵因子比较44.,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切比雪夫多项式阵列类似于均匀阵列和二项式阵,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阵列单元个数无论奇偶，都可以写成cosin,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,，第一旁瓣的旁瓣电平为,R,0,，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) = R,0,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。,.,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，,N,元非等幅均匀阵列,阵因子比较,二项式分布阵列,多尔夫,-,切比雪夫多项式阵列,泰勒分布阵列,48,.,N元非等幅均匀阵列阵因子比较48.,泰勒线阵,线源激励计算,线源激励幅度的分布为,.,泰勒线阵线源激励计算线源激励幅度的分布为.,泰勒线阵,线源激励计算,其中,.,泰勒线阵线源激励计算其中.,泰勒线阵,比较（等幅）,.,泰勒线阵比较（等幅）.,泰勒线阵,比较（泰勒分布）,.,泰勒线阵比较（泰勒分布）.,目录,简介,天线阵基本理论,天线阵的应用,53,.,目录简介53.,天线阵的应用,相控阵天线,自适应天线阵,54,.,天线阵的应用相控阵天线54.,天线阵的应用,相控阵天线,自适应天线阵,55,.,天线阵的应用相控阵天线55.,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,.,相控阵相控阵是指由大量配相单元组成的阵列.,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,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,.,相控阵将三根电缆接至公共馈端，形成边射三元阵.,相控阵,在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,.,相控阵在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,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,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,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,.,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.,天线阵的应用,相控阵天线,自适应天线阵,63,.,天线阵的应用相控阵天线63.,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,。,.,自适应阵和智能阵由天线单元及其互相连接的传输线在预定方向上产,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,.,自适应阵和智能阵单元1 下行信号的相位.,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21,0,和330,方向,.,自适应阵和智能阵当信号来自0和30时.,