毫米波通信技術(shù)Chap天線

1、1毫米波通信技術(shù)劉發(fā)林電子工程與信息科學(xué)系2006年8月18日第三章、毫米波天線 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生選修課 ES452152 3.1 引言 3.2 天線基礎(chǔ) 3.2.1 天線輻射的基本原理 3.2.2 天線的特征參數(shù) 3.3 反射面天線、透鏡天線和喇叭天線 3.3.1 口徑面天線基礎(chǔ) 3.3.2 反射面天線 3.3.3 透鏡天線 3.3.4 喇叭天線 3.3.5 多頻段共用天線 3.4 微帶與印制電路天線 3.4.1 微帶天線的基本類型 3.4.2 微帶天線的輻射特性 3.4.3 新型結(jié)構(gòu)的微帶天線 3.5 相控陣天線 3.5.1 相控陣天線原理 3.5.2 相控陣天線的互耦問題 3.5.

2、3 相控陣天線的饋電方式 3.5.4 相控陣天線的新技術(shù) 3.6 自適應(yīng)天線 3.6.1 自適應(yīng)天線的基本原理 3.6.2 自適應(yīng)波束形成算法 第三章、毫米波天線 3n小尺寸n高增益n波束窄毫米波天線概述3.1 天線引言通信系統(tǒng)的窗口收發(fā)最前端頻率（f）GHZ波長（毫米）厘米天線直徑AD4平方厘米天線口徑面積A天線效率設(shè)為50% 4n面天線：拋物面、卡賽格倫、網(wǎng)狀、微帶n線天線：耦極子、鞭狀、八木n其他天線：喇叭、透鏡、縫隙n新型技術(shù)：共形天線、賦形天線、頻段公用 智能天線、數(shù)字波束形成等毫米波天線概述3.1 天線引言請列舉天線形式！5n方向圖n波瓣寬度與副瓣n方向系數(shù)與增益n輸入阻抗n帶寬n

3、有效面積n天線噪聲溫度天線基本特性-15-10-5051015-30-25-20-15-10-50Antenna Beam (Right-Oriented)Angle (Degree)Relative (dB)3.2 天線基礎(chǔ)6天線基本特性3.2 天線基礎(chǔ)天線輻射場：n近區(qū)場復(fù)雜，需要場分析或路分析n遠(yuǎn)區(qū)場為球面波，傳播方向?yàn)閚信號(hào)能量按照 衰減HES)4/(12R電磁場基本方程（Maxwell方程）邊界條件n需要熟悉球坐標(biāo)場表達(dá)式EEErHHHr7n方向圖：歸一化場強(qiáng)n有相互垂直的E面和H面方向圖天線電氣參數(shù)3.2 天線基礎(chǔ)副瓣主瓣02rad角度2SLL3 dB主瓣最大輻射方向G各向同性電平

4、2/1圖3-4 天線方向圖（直角坐標(biāo)表示） max/ ),(),(EEF左右某種程度對稱8n方向系數(shù)與增益n n輻射效率n理想偶極天線增益為1.76dB（1.5）AavUUD4),(),(40000150004/),(),(DPUGrin3.2 天線基礎(chǔ)波束立體角經(jīng)驗(yàn)公式GGlg20),(dB表示用inrrPP /天線電氣參數(shù)9極化n線極化n垂直極化VVn水平極化HHn圓/橢圓極化n左旋圓極化n右旋圓極化n極化復(fù)用n交叉極化要低n極化失配3.2 天線基礎(chǔ)EEEEEE(a)(c)(e)(b)(d)(f)天線電氣參數(shù)10圓極化特性n圓/橢圓極化波均可分解為兩個(gè)相互正交的線極化波。n當(dāng)兩正交線極化波

5、振幅相等，相位相差90時(shí)，則合成圓極化波；n振幅不等時(shí)，合成橢圓極化波。圓極化產(chǎn)生n合成產(chǎn)生：可由兩個(gè)正交的線極化電場合成n直接產(chǎn)生：螺旋天線產(chǎn)生圓極化波，電磁波的旋轉(zhuǎn)方向與螺旋線的繞向一致3.2 天線基礎(chǔ)天線電氣參數(shù)11n輸入阻抗n重要參數(shù)，通常以VSWR測量確定該阻抗。n包括電阻和電抗、需要匹配電路n接收天線的阻抗近似為接收機(jī)的輸入阻抗。n帶寬n1dB帶寬，3dB帶寬等。n有效面積n遮擋、傾斜等均會(huì)影響有效面積。3.2 天線基礎(chǔ)24eAG 2004AG 天線電氣參數(shù)12n天線噪聲溫度n接收噪聲功率 n傳輸效率fkTBkTPAA3.2 天線基礎(chǔ)0)1 (TTTFaFA290 0KFFL/1饋

6、線損耗)(/RATTGTGn追求最佳G/T值而不是最大增益，是現(xiàn)代衛(wèi)星通信地面站的設(shè)計(jì)原則 200sin,41ddGTTba 是接收方向 上的亮溫， 是實(shí)際亮溫的加權(quán)平均，也稱天線截獲的外界噪聲的等效噪聲溫度,bTaTn傳輸系統(tǒng)品質(zhì)因素： 定義為增益和噪聲溫度之比oRRTNFT) 1(天線電氣參數(shù)13n通信傳輸系統(tǒng)的方程n工程上用dB表示如下通信基本傳輸方程3.2 天線基礎(chǔ)frttrttrLGGPRGGPP/4224RLf自由空間損耗44.32lg20lg20MHzfKmRdBGdBGdBWPdBWPrttrttGPEIRP 等效全向輻射功率：若f用GHz表示，則92.4414通信鏈路計(jì)算舉例

7、 （p116）3.2 天線基礎(chǔ)一星上接收系統(tǒng)，f30.0GHz（頻帶中心），接收天線口徑尺寸D1.0m，天線效率0.6，饋線損耗因子LF1.5dB，接收機(jī)噪聲系數(shù)NF3.4dB，天線噪聲溫度Ta290K，環(huán)境溫度To290K；地球站位于衛(wèi)星接收天線3dB覆蓋邊緣，其最大發(fā)射功率為PT20W，EIRP66dBW，星-地典型斜路徑長度39500km，不考慮大氣吸收損耗和天線指向損耗試求出衛(wèi)星接收天線的G/T值和所接收的信號(hào)功率大小。15通信鏈路計(jì)算舉例（p116）3.2 天線基礎(chǔ)波長0.01m衛(wèi)星接收天線增益dBDAGer7 .479 .59217422接收機(jī)的等效噪聲溫度 TR=(NF-1)T0

8、 =(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=28.0dBK系統(tǒng)的G/T值為： G/T=Gr-TS =19.7dB/K折合到LNA輸入端：(G/T)=G/T-1.5=18.2dB/K16通信鏈路計(jì)算舉例（p116）3.2 天線基礎(chǔ)地球站最大發(fā)射功率PT20W=13 dBW EIRP=GTPTEIRP=GT+PT=66 dBW所以： GT=66-13=53 dB由于地球站位于衛(wèi)星接收

9、天線3dB覆蓋邊緣，所以，實(shí)際接收功率為： Pr= -102.2 dBW-3=-105.2dBW=3.02x10-11 W 44.32MHzlg20kmlg20dBdBdBWdBWfRGGPPrTTr Pr=13+53+47.7-20 lg (39500)-20 lg (30000)-32.44 66+47.7-91.6- 91.9-32.4 -102.2 dBW17口面天線基本原理3.3 喇叭天線圖3.6 惠更斯原理示意圖次級波源 波前（a）平面波（b）球面波口面繞射理論分析惠更斯原理n波前上的每一點(diǎn)都可以看作是次級波源n這些次級波源輻射球面波n其包絡(luò)又在傳播方向上疊加形成新的波前。n菲涅爾

10、（Fresnel）指出，這些次級波源產(chǎn)生的場強(qiáng)是按相位疊加的。 183.3 喇叭天線口面天線基本原理等效性原理分析n對于任何場源，都可用一封閉面將它包圍起來； n只要確定了該封閉面上的表面場分布Es和Hs，就能夠利用等效電流源和磁流源求出封閉面外部空間的輻射場。等效原理在分析電磁場繞射和散射時(shí)非常有用，可據(jù)此推導(dǎo)計(jì)算口徑面天線輻射場的繞射積分公式。 SSHnJSSEnJmn 等效性原理示意圖19喇叭天線EaEa(a) H-面扇形喇叭(b) E-面扇形喇叭(c) 角錐喇叭(d) 圓錐喇叭3.3 喇叭天線n口面場相位不均勻引起效率下降n扇型喇叭效率一般為0.64n角錐喇叭效率一般為0.51n相位中

11、心20喇叭天線口面與增益3.3 喇叭天線21雙模圓錐喇叭與口面場分布xyxxyy模11TE模11TM雙模2ab0dl（a）幾何結(jié)構(gòu)（b）口徑場分布3.3 喇叭天線n作為天線時(shí)，一般用主模TE11n作為初級饋源時(shí)，場要均勻，一般用混合模TE11TM11 。22拋物面天線的幾何關(guān)系P準(zhǔn)線f(x , z)zxFOf00t te en ne eD3.3 反射面天線n單反射面n拋物面n平行波束輸出n遮擋有影響n口面效率0.623卡塞格倫天線3.3 反射面天線n兩個(gè)反射面，設(shè)計(jì)靈活n饋源饋線短，便于調(diào)整n饋電網(wǎng)絡(luò)組合，可實(shí)現(xiàn)多波束或賦形波束n交叉極化小，適于雙頻段共用n有支架遮擋，大口面時(shí)影響才小24偏置

12、反射面天線3.3 反射面天線拋物面F饋源(a) 偏置拋物反射面天線主反射面FF副反射面(b) 偏置卡塞格倫天線饋源n單面、雙面等多種形式n去遮擋、饋源與發(fā)射面高度隔離n初級饋源口面可以增大，有利于改善初級饋源輻射方向圖n交叉極化大 ，不利于復(fù)用25偏置反射面天線3.3 反射面天線表3-1 反射面天線類型及其性能比較天線類型效 率第一旁瓣（dB）其他旁瓣設(shè)計(jì)加工的難易程度及結(jié)構(gòu)合理性前饋拋物面天線變形卡塞格倫天線偏置反射面天線0.600.650.700.750.700.78-20-23-17-19-30好較好好好一般差26賦形天線 3.3 反射面天線賦形天線方向圖n達(dá)到一定區(qū)域的匹配覆蓋n可改善

13、不同波束之間的空間物理隔離，便于衛(wèi)星通信n一般需要多饋源調(diào)整n需波束形成饋電網(wǎng)絡(luò)27組合饋源產(chǎn)生的多個(gè)子波束312饋源喇叭配置饋源3子波束覆蓋饋源1子波束覆蓋饋源2子波束覆蓋饋源1和2子波束覆蓋饋源2和3子波束覆蓋饋源1和3子波束覆蓋饋源1、2和3子波束覆蓋3.3 反射面天線28地面站和衛(wèi)星天線的技術(shù)要求ITUR關(guān)于衛(wèi)星通信天線的建議地球站天線地球站天線nS.465-5：協(xié)調(diào)和干擾估算模型nS.731：交叉極化協(xié)調(diào)和干擾估算模型nS.58-5：GEO衛(wèi)星地球站天線輻射方向圖衛(wèi)星天線衛(wèi)星天線 nS.672-2：GEO衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)天線方向圖既要通信有效、又要干擾受限3.3 反射面天線29多波束天線

14、n有效的極化和空間隔離n細(xì)分服務(wù)區(qū)域，提高服務(wù)質(zhì)量、提高EIRPn自適應(yīng)調(diào)零，降低干擾n自適應(yīng)重建，適應(yīng)移動(dòng)區(qū)域服務(wù)（空間計(jì)劃）n地面站多波束接收天線（多任務(wù)、多衛(wèi)星）3.3 反射面天線30ACTS快跳多波束天線 3.3 反射面天線31表3-2 各種衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)對MBA的功能、特性要求系統(tǒng)類型業(yè)務(wù)種類對MBA的功能、特性要求固定業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信（C/Ku/Ka）大容量通信VSAT通信設(shè)置靈活的線路增益高波束隔離度高（低副瓣、低交叉極化、低相交電平）波束賦形、波束重構(gòu) 廣播電視衛(wèi)星通信（Ku）區(qū)域廣播增加通道高波束相交電平低副瓣（-30dB以下）低交叉極化（主軸方向-40dB以下）賦形波束和全國廣播

15、波束共存 移動(dòng)業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信（UHF/L/S/X/Ka）海事移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)航空移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)陸地移動(dòng)衛(wèi)星業(yè)務(wù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼增益高、多波束高相交電平波束可控、波束重構(gòu)展開天線3.3 反射面天線32表3-3 三種類型多波束天線的比較天 線 型式優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)多波束反射面天線結(jié)構(gòu)簡單重量輕設(shè)計(jì)成熟需采用偏置結(jié)構(gòu)以避免饋源陣列的遮擋寬角掃描性能差多波束透鏡天 線不存在饋源陣列的遮擋良好的寬角掃描性能設(shè)計(jì)的自由度大存在表面失配和介質(zhì)損耗比反射面天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜工作頻率較低時(shí)質(zhì)量重、體積大 多波束陣列天 線在輻射單元級實(shí)現(xiàn)功率放大后合成輸出沒有泄漏損失無口徑遮擋波束間隔容易控制存在波束形成網(wǎng)絡(luò)損耗頻帶窄結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高3

16、.3 反射面天線33多波束反射面天線的基本結(jié)構(gòu)n簡單型：波束喇叭一一對應(yīng)n復(fù)合型：喇叭組合、波束形成網(wǎng)絡(luò)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主反射面饋源陣列Tx/Rx主反射面饋源陣列BFNTx/R

17、x(a) 簡單型(b) 復(fù)合型饋源結(jié)構(gòu)3.3 反射面天線34利用多層介質(zhì)濾波器（反射和透射）的雙頻段共用天線 多層介質(zhì)濾波器 Ku 頻段雙工器 天線主反射面 喇叭 喇叭 Ka 頻段雙工器 14/12GHz 30/20GHz 3.3 反射面天線35圖3.21利用同軸喇叭多頻段饋源共用天線 35GHz 28GHz 18GHz 12GHz 副反射面 主反射面 3.3 反射面天線36圖3.22 利用集束波導(dǎo)的三頻段共用接收天線 主反射面 集束 波導(dǎo) Ku、Ka 共用饋源 變張角喇叭 S 頻段螺旋陣列天線及饋源 副反射面 3.3 反射面天線37透鏡天線3.3 透鏡天線38透鏡天線3.3 透鏡天線n可用幾

18、何光學(xué)的兩個(gè)基本原理描述n波束光程相等原理n折射與透射原理n用透鏡修正了邊緣的相位差，效率可提高到70以上39透鏡天線實(shí)測方向圖8mm波段口徑80mm低副瓣天線 角度( ) E 面 增益 (dB) 角度( ) H 面 增益 (dB) 3.3 透鏡天線40Rotman透鏡天線 陣列天線波前輸出端口波束端口聚焦區(qū) Bootlace透鏡區(qū)n利用不同的波束端口，可實(shí)現(xiàn)一定范圍的掃描n多波束、恒定波束寬度n寬帶天線，可達(dá)倍頻程3.3 透鏡天線41微帶天線優(yōu)點(diǎn)：n剖面低、體積小、重量輕；n平面結(jié)構(gòu)，可與導(dǎo)彈、衛(wèi)星等表面共形；n饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，適合于采用成本較低的照相蝕刻技術(shù)生產(chǎn)；n能夠與有源

19、器件和電路在基片上集成為單片器件；n便于獲得圓極化，容易實(shí)現(xiàn)雙頻段、雙極化等。微帶天線3.4 微帶天線42微帶天線的主要限制有：n頻帶窄，微帶天線的工作帶寬一般不超過7；n導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和表面波導(dǎo)致輻射效率降低和方向圖畸變；n公差要求較高、功率容量較?。籲僅適于毫米波低端頻率n介質(zhì)基片材料對天線電性能影響較大等。微帶天線3.4 微帶天線43微帶天線基本類型微帶線 導(dǎo)體貼片 介質(zhì)基片 接地板導(dǎo)體振子接地板槽線（a）微帶貼片天線（b）微帶振子天線接地板微帶線縫隙（c）微帶縫隙天線微帶線接地板（d）微帶行波天線3.4 微帶天線44陣列饋電：陣列饋電：串連/并聯(lián)兩種方式微帶天線分析方法分析方法：分

20、析方法：n傳輸線模型基本方法(傳統(tǒng)方法)n基于諧振的腔體模型n直觀，但未考慮垂直于基片的場變化，表面損耗效應(yīng)等n嚴(yán)格解n是基于Green并矢函數(shù)的積分方程法。設(shè)計(jì)無窮遠(yuǎn)積分，可能有收斂問題。3.4 微帶天線45微帶天線輻射特性：半波長諧振子z（b）顯示電場的側(cè)面圖xLtE饋線介質(zhì)基片接地板yzxLW貼片t介質(zhì)基片接地板（a）矩形貼片微帶天線的幾何形狀饋電端激勵(lì)起電場（Z向），輻射集中在接地板上方rdL49. 049. 022)(190WLZrrA3.4 微帶天線46微帶天線方向圖一般表達(dá)式3.4 微帶天線)cossin2cos(sinsin2)sinsin2sin(,000LkWkWkf （E

21、面， ） （H面， ）)sin2cos(,0ELkF0sin2)sin2sin(cos,00HWkWkF9047新型結(jié)構(gòu)微帶天線天線基片微帶貼片單元接地板耦合孔微帶線饋線基片窗孔耦合饋電結(jié)構(gòu)示意圖多層饋電結(jié)構(gòu)：隔直、保證帶寬同時(shí)克服饋電寄生輻射輻射單元與饋電單元不在同一平面上，屬于非接觸式饋電3.4 微帶天線48寬帶多頻段微帶天線頻帶窄主要受輸入阻抗帶寬的限制；根本原因是在于微帶天線的諧振特性（等效為一個(gè)高值的并聯(lián)諧振電路）。n頻帶展寬的基本途徑是降低等效諧振電路Q值。n目前解決帶寬問題的主要方法有：改變貼片的形狀、介質(zhì)厚度或介電常數(shù)；附加寄生貼片單元；采用多層耦合結(jié)構(gòu)；利用變?nèi)莨芨淖冑N片邊緣

22、輻射的電感和電容；采用具有固有寬帶特性的螺旋形或蝶結(jié)形貼片單元等。n工作頻帶的展寬往往是以體積的增大和效率的降低為代價(jià)。n衛(wèi)星通信系統(tǒng)等要求天線能夠雙頻或多頻段圓極化工作。微帶天線實(shí)現(xiàn)雙頻或多頻段工作的基本方法：n多片法：利用諧振頻率不同的多個(gè)貼片來工作n單片法：采用一個(gè)貼片，而利用具有不同諧振頻率的模式同時(shí)工作3.4 微帶天線49微帶陣列天線n微帶輻射單元一般是低增益、低輻射效率、窄帶和寬波束特性。n為滿足通信和雷達(dá)系統(tǒng)中高增益、窄波束的使用要求，通常需要采用具有大量輻射單元的微帶陣列天線。n目前技術(shù)，采用適當(dāng)?shù)姆椒稍?00GHz時(shí)保持微帶貼片陣列具有很高的增益、良好的方向圖以及合理的效率

23、。n微帶陣列天線的優(yōu)點(diǎn)之一是，饋電網(wǎng)絡(luò)和輻射單元可以印制在同一張電路板上。n而相位掃描微帶陣列天線還可以利用MMIC技術(shù)來進(jìn)行制造。n微帶陣列天線的形式和結(jié)構(gòu)：多種多樣，如微帶貼片陣列天線、微帶振子陣列天線以及串饋、并饋、掃描和極化捷變微帶陣列天線等3.4 微帶天線50微帶陣列天線串饋和并饋(a) 串聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)(b) 并聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)串饋：n長度短、損耗小n設(shè)計(jì)復(fù)雜、互相牽連并饋：n冗余多、損耗大n設(shè)計(jì)簡單復(fù)雜、大型陣列中一般采用串饋和并饋結(jié)合方式3.4 微帶天線51單片集成相控陣天線圖3-31 單片集成相控陣天線結(jié)構(gòu)3.4 微帶天線子陣射頻饋線半導(dǎo)體基片下有金屬網(wǎng)的子陣（加陰影線的）保護(hù)罩 帶半

24、導(dǎo)體有源子陣的陣面 控制板（移相器 驅(qū)動(dòng)器，偏壓電路）射頻功率分配網(wǎng)絡(luò)52等幅同相激勵(lì)微帶陣列天線（b）由子陣組成的16元陣列（a）由四個(gè)貼片單元組成的子陣列AABCAADdd02Z02Z01Z01Z01Z01Z03Z04ZCZBZn阻抗匹配問題3.4 微帶天線53陣列微帶天線n設(shè)計(jì)舉例N4n為例n設(shè)計(jì)f=30GHz，r=2.2mmrd7 . 6/mmLd3 . 349. 0mm5 . 4W200，則可求出若阻抗為陣元數(shù)為N、陣元間距為d=0.8的微帶陣列天線增益為NNdNdNdNLLAGyxe04. 88 . 0444442222222N 16 64 256 1024G(=0.5) 64.3

25、2 257.3 1029.1 4116.5GdB 18.1 24.1 30.1 36.1N過大時(shí)，互耦嚴(yán)重，效率降低，到303.4 微帶天線54相控陣天線發(fā)展3.5 相控陣天線n微波頻段相對成熟n毫米波固態(tài)電路、計(jì)算機(jī)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)發(fā)展促成n相控陣天線技術(shù)在通信領(lǐng)域受到廣泛重視，并得到了迅速發(fā)展。n相控陣天線可以使衛(wèi)星或者地面通信系統(tǒng) “動(dòng)中通”，波束快速掃描，控制貫量很小，星上控制易。n相控陣天線技術(shù)已是近年來通信衛(wèi)星有效載荷中發(fā)展很快的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。n大、中、小衛(wèi)星，采用直接輻射的相控陣天線或者饋源陣列采用相控的反射面天線可以極大改善衛(wèi)星系統(tǒng)波束覆蓋的靈活性，由此將帶來整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)性能

26、的全面提升。55相控陣天線原理3.5 相控陣天線陣列天線與方向圖乘積定理：n 如果直線陣中各天線單元具有相同的型式，且方向圖基本一致，則陣列天線的方向圖等于單天線方向圖與陣列因子的乘積 AFfE陣列因子單個(gè)天線的方向圖n陣列因子僅僅與陣元個(gè)數(shù)、間距、激勵(lì)電流的幅度和相位有關(guān)，可假想為各向同性輻射單元組成的陣列的方向圖56相控陣天線原理3.5 相控陣天線 AFfeIfENndkjnn10cos0陣列因子單個(gè)天線的方向圖0r12nN1d2dnd 102104NnnrjnnnNnnrefIKEEn 1024NnnrjnreIfKEn假定各單元方向圖相同，10cos0NndkjnneIAF對于N元等間

27、距線陣，57等幅激勵(lì)等間距線性相控陣天線3.5 相控陣天線 d移相器通過移相器，令，jnnneaI 1010cos0NnnjNndknjeeAFcos0dk式中，00cosdk令：)cos(cos00dk有，最大指向在0方向，調(diào)節(jié)可波束掃描。相控陣天線波束掃描583.5 相控陣天線波束指向函數(shù)與最大方向)sinsin(2)sinsin(2sin)(00BBNdkNdkNAF，可得令：Bdkcos0dkB01/sin此時(shí)，最大指向在B方向，調(diào)節(jié)可波束掃描。相控陣天線波束掃描B，對應(yīng)于最大波束指向）（時(shí)，當(dāng)1AFNB593.5 相控陣天線波瓣寬度NdB51cos12/1可見，波瓣寬度不但與N有關(guān)，

28、還與B有關(guān)，最大指向越偏離法向，寬度越寬。相控陣天線波束掃描，可以求出波瓣寬度）（令，707. 0AFN，可得對于半波長間距，即2/dBNcos1022/1603.5 相控陣天線天線增益最大指向B越偏離法向，增益越低。相控陣天線波束掃描NNNdAGe)4/(4)(44222220BBBNGGcoscos)(0613.5 相控陣天線波瓣零點(diǎn)和副瓣電平BpdNpsinsin10第一副瓣 -13.4dB， 第二副瓣 -17.9dB相控陣天線波束掃描可得零點(diǎn)位置，）（令，0AFN的極大值，可得于個(gè)副瓣最大值對應(yīng)第)(AFnBnNdlsin) 12(sin12/) 12(1)(AFlnN第n個(gè)副瓣電平為

29、，62相控陣天線波束掃描3.5 相控陣天線可以分別求出n波束指向：可連續(xù)控制，也可數(shù)控步進(jìn)n波瓣寬度：偏離正前方越多，波瓣越寬n增益：越靠近正前方，增益越高n波瓣零點(diǎn)和副瓣電平n呈現(xiàn)出一定的周期變化n波束掃面導(dǎo)致柵瓣與天線最大單元距離的限制n一般情況下，距離大于波長時(shí)，可能出現(xiàn)柵瓣。63相控陣天線波束掃描3.5 相控陣天線示例1、四元陣列天線的波束四元陣列天線合成波束隨各單元依次饋電相位差變化形成掃描64平面相控陣天線3.5 相控陣天線n面陣天線可進(jìn)行二維波束掃描n面陣天線的分析，可以應(yīng)用與線陣類似的方法。n等幅激勵(lì)條件下，平面相控陣天線方向圖可看成是兩個(gè)正交線陣方向圖的乘積。n若為了獲得低副

30、瓣電平，平面陣列需要采用幅度漸變。zxy(m,n)dxdy單個(gè)平面相控陣天線的波束掃描范圍一般不超過50。為了使波束掃描范圍擴(kuò)展，需要配置多個(gè)平面相控陣天線。653.5 相控陣天線 饋電喇叭短路器 (a) 反射式陣列次級陣面 初級陣面（平面） 饋電喇叭 (b) 透鏡式陣列準(zhǔn)光學(xué)空間饋電方式66強(qiáng)制饋電方式的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3.5 相控陣天線0輻射單元移相器功率分配器（隔離式）功率分配器（非隔離式）12360616263匹配負(fù)載n幅度、相位控制n串饋、并饋結(jié)合67相控陣天線的互耦問題 3.5 相控陣天線n互耦普遍存在，邊緣輻射效應(yīng)，產(chǎn)生互耦n毫米波段互耦更為嚴(yán)重n單元所處位置影響互耦程度n互耦影響阻

31、抗，導(dǎo)致匹配下降n分析方法主要有阻抗分析法由于互耦n引起激勵(lì)電流變化n引起單元反射增加n產(chǎn)生盲點(diǎn)、凹陷或零點(diǎn)68相控陣天線的互耦問題分析 3.5 相控陣天線阻抗法：將陣列中各天線單元之間的關(guān)系視為多端口耦合網(wǎng)絡(luò)。對于一個(gè)N單元的相控陣天線，可以通過一個(gè)N階的阻抗矩陣Z來表征天線單元的激勵(lì)電流與饋電網(wǎng)絡(luò)所提供的電壓之間的關(guān)系，即，互阻抗非零NNNNNNNNIIIZZZZZZZZZVVV2121222211121121，無互阻抗線上各項(xiàng)，無耦合時(shí)，僅有主對角NNZZZ00000022110Z激勵(lì)電流發(fā)生變化69相控陣天線的互耦問題分析 3.5 相控陣天線阻抗變化，引起反射變化，通常造成更大的失配，

32、使得反射增加NNNNNNNNVVVCCCCCCCCCeee2121222211121121互耦項(xiàng)的存在，一般使得反射增加式中，Cki反應(yīng)第i個(gè)單元對第k個(gè)單元反射的影響，與天線形式、陣元形式、間距、掃描等有關(guān)。70相控陣天線的互耦問題分析 3.5 相控陣天線n互耦產(chǎn)生“盲點(diǎn)”現(xiàn)象n天線單元的增益與反射系數(shù)有關(guān)n由于互耦，當(dāng)天線波束掃描至某一方向時(shí)（如接近柵瓣的方向），可能會(huì)出現(xiàn)最大反射點(diǎn)，反射系數(shù)接近1。n導(dǎo)致加在天線單元上的激勵(lì)信號(hào)幾乎全部被反射回來，從而使得在這一方向上的天線單元方向圖出現(xiàn)一個(gè)很深的凹口，甚至零點(diǎn)。n與此相應(yīng)，整個(gè)陣列的增益將急劇下降。這一現(xiàn)象稱為“盲點(diǎn)”，這時(shí)的波束指向也

33、稱為“盲角”。 71圖3.38 Butler多波束形成網(wǎng)絡(luò)（BFN） 88 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信號(hào)由Butler矩陣不同的端口輸入時(shí)，可以形成對應(yīng)于8個(gè)不同指向的波束。 3.5 相控陣天線 0 3 2 1 4 -90 基本的定向混合器 （3dB 電橋） 輸入端 （n=8） R1 L4 R3 L2 R2 L1 R4 L3 移相器 3dB 電橋 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 輸出端 （n=8） A1 67.5 67.5 22.5 22.5 45 45 45 45 相控陣天線的新進(jìn)展 多波束相控陣72圖3.39 有源相控 陣天線 3.5 相控陣天線 T / R組件模擬或數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò) （a）有源

34、相控陣 T / R組件 T / R組件 LNA HPA Rx Tx DUP SW DPS ATT SW (b)T/R組件n每一路T/R組件均包含HPA和LNA，并通過雙工器分開73n有源相控陣天線：n多個(gè)T/R組建實(shí)現(xiàn)，降低損耗，提高靈敏度，可由饋電網(wǎng)絡(luò)在射頻實(shí)現(xiàn)，也可通過數(shù)字處理實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束成形。天線新技術(shù)輸出匹配諧波調(diào)節(jié)天線匹配天線連接件輸入輸出匹配天線輸入3.5 相控陣天線74有源集成天線陣列3.5 相控陣天線753.5 相控陣天線相控陣天線的新進(jìn)展 DBFn相控陣天線的波束形成通常是在射頻完成的。不易改動(dòng)。n要形成的波束數(shù)目較多時(shí)，硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且難以調(diào)整。n近二十年來，隨著有源相控陣

35、天線技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字波束成形（DBF）受到了廣泛關(guān)注。n與模擬波束形成網(wǎng)絡(luò)相比，數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)具有不漂移、不老化、工作可靠、可自檢、可編程等優(yōu)點(diǎn)。n由于有可能保存天線單元上的全部有用信息，DBF幾乎包括了對天線單元數(shù)字化信號(hào)的任何空間域處理。763.5 相控陣天線相控陣天線的新進(jìn)展 DBFn具有快速、靈活的自適應(yīng)零點(diǎn)控制，消除或補(bǔ)償由多路接收或發(fā)射通道所引起的幅度/相位誤差，以及實(shí)現(xiàn)超分辨率和超低副瓣等優(yōu)越性能。n數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)可以應(yīng)用于接收/發(fā)射模式n接收模式舉例： DBF網(wǎng)絡(luò)首先是將陣列各天線單元的接收信號(hào)變換成基帶信號(hào)，在數(shù)字信號(hào)處理器中對來自各天線單元的基帶信號(hào)進(jìn)行幅

36、度和相位加權(quán)等處理，以實(shí)現(xiàn)所要求的波束指向和波束形狀控制以及多波束形成。 773.5 相控陣天線相控陣天線的新進(jìn)展 DBFn工程實(shí)踐表明，DBF可以大大增強(qiáng)相控陣天線的靈活性和自適應(yīng)能力。nDBF應(yīng)用的主要限制：系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)時(shí)性。nDBF通常分為單元空間波束形成和波束空間波束形成兩種不同的處理結(jié)構(gòu)。n我們將討論地面或衛(wèi)星通信系統(tǒng)中數(shù)字波束形成網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)。783.5 相控陣天線單元空間波束形成在單元空間實(shí)現(xiàn)波束形成：n將陣列中各天線單元輸出的數(shù)字信號(hào)與一組加權(quán)系數(shù)直接進(jìn)行加權(quán)求和運(yùn)算，以在特定方向形成波束。n通過設(shè)定合適的加權(quán)系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)波束指向調(diào)整、零點(diǎn)控制和波束賦形等功能。 793

37、.5 相控陣天線波束空間波束形成在波束空間實(shí)現(xiàn)波束形成：n是指陣列天線單元的輸出信號(hào)先經(jīng)過一個(gè)多波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一組相互正交的波束，然后每個(gè)波束的輸出再經(jīng)加權(quán)合成得到所希望的輸出。n通過波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行波束空間的預(yù)選擇，可以大大降低自適應(yīng)陣列系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程度。 80圖右：常規(guī)饋線網(wǎng)絡(luò)圖下：光控饋電電路 3.5 相控陣天線相控陣天線的新進(jìn)展光電子技術(shù)應(yīng)用 微波單元微波饋線微波單元已調(diào)微波幅相信息的光纖饋線81天線的自適應(yīng)特性：n是指天線具有自動(dòng)調(diào)整自身工作參數(shù)適應(yīng)周圍環(huán)境變化的能力。n自適應(yīng)天線或稱自適應(yīng)陣列通常是一個(gè)以陣列天線為基礎(chǔ)構(gòu)成的多通道信號(hào)處理系統(tǒng)。 自適應(yīng)天線3.6 自適應(yīng)天線82

38、自適應(yīng)天線的組成：n陣列天線、波束形成網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)處理器n波束形成網(wǎng)絡(luò)對陣列各天線單元的多通道接收信號(hào)進(jìn)行復(fù)（幅度和相位）加權(quán)求和處理，形成所需要的方向圖，并實(shí)現(xiàn)對陣列天線波束指向以及零點(diǎn)位置的控制。n不像相控陣天線那樣預(yù)先確定以形成掃描波束或多波束；自適應(yīng)波束形成器的加權(quán)矢量需要在一定的優(yōu)化準(zhǔn)則下隨時(shí)間進(jìn)行更新。自適應(yīng)處理器就是用來對波束形成網(wǎng)絡(luò)的復(fù)加權(quán)系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。可劃分為信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法控制器兩部分。自適應(yīng)天線基本原理3.6 自適應(yīng)天線83n智能天線自適應(yīng)天線n數(shù)字波束n信號(hào)處理正向、逆向自適應(yīng)天線示意圖WNW2W1自適應(yīng)處理器陣列天線輸出信號(hào)自適應(yīng)波束形成器3.6 自適應(yīng)天線

39、84自適應(yīng)波束形成算法決定性影響自適應(yīng)天線性能。n在最優(yōu)波束形成技術(shù)中，自適應(yīng)算法通常是根據(jù)一定的性能準(zhǔn)則獲得波束形成器的最佳權(quán)矢量，即使性能測度函數(shù)（或稱為代價(jià)函數(shù)）為最小的一組加權(quán)系數(shù)。n自適應(yīng)天線用于抑制干擾時(shí)，其核心問題是如何在存在干擾/噪聲的環(huán)境下改善有用信號(hào)的接收性能。自適應(yīng)天線的性能分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面n暫態(tài)性能是指自適應(yīng)陣列在信號(hào)環(huán)境變化后達(dá)到成功調(diào)整參數(shù)所需時(shí)間。與自適應(yīng)算法的收斂速率直接有關(guān)。n穩(wěn)態(tài)性能是指自適應(yīng)天線在經(jīng)過自適應(yīng)調(diào)整過程后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的性能，一般采用最小均方誤差(MMSE)、最大信噪比(MSNR)、線性約束最小方差(LCMV)、最大似然(ML)和最小噪聲方差(MV)等性能測度來表征。自適應(yīng)波束形成算法3.6 自適應(yīng)天線85自適應(yīng)波束形成計(jì)算簡例3.6 自適應(yīng)天線兩個(gè)