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2012年9月第三章、毫米波天線 研究生選修課 ESD5302中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)2 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 3.5.3 相

2、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左邊是發(fā)射（接收）電路n右邊是信道n上面是各種先進技術(shù)（納米天線）n下面是材料（納米、左手材料等） By Dr. 陳志寧，IEEE Fellow毫米波天線概述續(xù)13.1 天線引言以系統(tǒng)的觀念看天線：因此，天線的設(shè)計可以在考慮上述各個方面的情況下，進行綜合設(shè)計。例如濾波、

3、天線共設(shè)計5n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、 等離子天線毫米波天線概述續(xù)23.1 天線引言請列舉天線形式！6n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)7天線基本特性續(xù)13.2 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

4、n遠區(qū)場為球面波，傳播方向為n信號能量按照 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)場表達式EEErHHHr8n方向圖：歸一化場強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9n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)驗公式GGlg20),(dB表示

5、用inrrPP /天線電氣參數(shù)續(xù)110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)續(xù)211圓極化特性n圓/橢圓極化波均可分解為兩個相互正交的線極化波。n當(dāng)兩正交線極化波振幅相等，相位相差90時，則合成圓極化波；n振幅不等時，合成橢圓極化波。圓極化產(chǎn)生n合成產(chǎn)生：可由兩個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)續(xù)312n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

6、和電抗、需要匹配電路n接收天線的阻抗近似為接收機的輸入阻抗。n帶寬n1dB帶寬，3dB帶寬等。n有效面積n遮擋、傾斜等均會影響有效面積。3.2 天線基礎(chǔ)24eAG 2004AG 天線電氣參數(shù)續(xù)413n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)計原則 200sin,41ddGTTba 是某接收方向 上的亮溫， 是實際亮溫的加權(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

7、) 1(天線電氣參數(shù)續(xù)514n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92.4415最小可檢測信號電平3.2 天線基礎(chǔ)kTSNRNFBkT16通信鏈路計算舉例 （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，接收機噪聲系數(shù)NF3.4dB，天線噪聲溫度Ta290K，環(huán)境溫度T

8、o290K；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值和所接收的信號功率大小。17通信鏈路計算舉例（p116）續(xù)13.2 天線基礎(chǔ)波長0.01m衛(wèi)星接收天線增益dBDAGer7 .479 .59217422接收機的等效噪聲溫度 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=T

9、A+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/K18通信鏈路計算舉例（p116）續(xù)23.2 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)星接收天線3dB覆蓋邊緣，所以，實際接收功率為： Pr= -102.2 dBW-3=-105.2dBW=3.02x10-11 W 44.32MHzlg20kmlg20dBdBdBWdBWfRGGPPrTTr Pr

10、=13+53+47.7-20 lg (39500)-20 lg (30000)-32.44 66+47.7-91.6- 91.9-32.4 -102.2 dBW19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（Fresnel）指出，這些次級波源產(chǎn)生的場強是按相位疊加的。 203.3 喇叭天線口面天線基本原理續(xù)1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

11、布Es和Hs，就能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非常有用，可據(jù)此推導(dǎo)計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21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 相位中心22喇叭天線口面與增益3.3 喇叭天線23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，一般用主模

12、TE11n 作為初級饋源時，場要均勻，一般用混合模TE11TM11 。24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0.625卡塞格倫天線3.3 反射面天線n 兩個反射面，設(shè)計靈活n 饋源饋線短，便于調(diào)整n 饋電網(wǎng)絡(luò)組合，可實現(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，大口面時影響才小26偏置反射面天線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

13、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27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天線類型效效 率率第一旁瓣第一旁瓣（dB）其他旁其他旁瓣瓣設(shè)計加工的難設(shè)計加工的難易程度及結(jié)構(gòu)易程度及結(jié)構(gòu)合理性合理性前饋拋物面前饋拋物面天線天線變形卡塞格倫變形卡塞格倫天線天線偏置反射面偏置反射面天線天線0.600.650.700.750.700.78- -20- -23- -17- -19- -30好好較好較好好好好好一般一般差差28賦形天線 3.3 反射面天線賦形天線方向圖n 達到一定區(qū)域的匹配覆蓋n 可改善不同波束之間的

14、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)29組合饋源產(chǎn)生的多個子波束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30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n S.465-5：協(xié)調(diào)和干擾估算模型n S.731：交叉極化協(xié)調(diào)和干擾估算模型n S.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 n S.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31多波束天線n

15、 有效的極化和空間隔離n 細分服務(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)移動區(qū)域服務(wù)（空間計劃）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32ACTS快跳多波束天線 3.3 反射面天線33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)類型系統(tǒng)類型業(yè)務(wù)種類業(yè)務(wù)種類對對MBA的功能、特性要求的功能、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（

16、主軸方向-40dB以下）賦形波束和全國廣播波束共存 移動業(yè)務(wù)衛(wèi)星通信（UHF/L/S/X/Ka）海事移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)航空移動衛(wèi)星業(yè)務(wù)陸地移動衛(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34表3-3 三種類型多波束天線的比較天線型式天線型式優(yōu)優(yōu) 點點缺缺 點點多波束反射面天線結(jié)構(gòu)簡單重量輕設(shè)計成熟需采用偏置結(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)雜工作頻率較低時質(zhì)量重、體積大 多波束陣列天 線在輻射單元級實現(xiàn)功率放大后合成輸出沒有泄漏損失無口徑遮擋波束

17、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3.3 反射面天線35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, 1

18、9主反射面饋源陣列Tx/Rx主反射面饋源陣列BFNTx/Rx(a) 簡單型(b) 復(fù)合型饋源結(jié)構(gòu)3.3 反射面天線36圖3.20 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37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38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

19、面天線39透鏡天線3.3 透鏡天線n 可用幾何光學(xué)的兩個基本原理描述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40透鏡天線實測方向圖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41Rotman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，可達倍頻程3.3 透鏡天線42微帶天線優(yōu)點：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)

20、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，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等。微帶天線3.4 微帶天線43微帶天線的主要限制有：n 頻帶較窄，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n 等等。微帶天線續(xù)13.4 微帶天線44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

21、線3.4 微帶天線45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)計無窮遠積分，可能有收斂問題。3.4 微帶天線46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起電場（Z向），輻射集中在接地板上方rdL49. 049. 022)(190WLZrrA3.4 微帶天線47微帶天線方向圖一般表達式3.4

22、微帶天線)cossin2cos(sinsin2)sinsin2sin(,000LkWkWkf （E面， ） （H面， ）)sin2cos(,0ELkF0sin2)sin2sin(cos,00HWkWkF9048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49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

23、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。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貼片來工作n 單片法：采用一個貼片，而利用具有不同諧振頻率的模式同時工作3.4 微帶天線50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 為滿足通信和雷達系統(tǒng)中高增益、窄波束的使用要求，通常需要采用大量輻射單元組成微帶

24、陣列天線。n 目前技術(shù)，采用適當(dāng)?shù)姆椒稍?00GHz時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。n 微帶陣列天線的優(yōu)點之一是，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51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)計復(fù)雜、互相牽連并饋：n 冗余多、損耗大n 設(shè)計簡單復(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52單片

25、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）保護罩 帶半導(dǎo)體有源子陣的陣面 控制板（移相器 驅(qū)動器，偏壓電路）射頻功率分配網(wǎng)絡(luò)53等幅同相激勵微帶陣列天線（b）由子陣組成的16元陣列（a）由四個貼片單元組成的子陣列AABCAADdd02Z02Z01Z01Z01Z01Z03Z04ZCZBZn 阻抗匹配問題3.4 微帶天線54陣列微帶天線n 設(shè)計舉例N4n為例n 設(shè)計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

26、益為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過大時，互耦嚴(yán)重，效率降低，到303.4 微帶天線55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、計算機及數(shù)字信號處理技術(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)展很快的一項關(guān)鍵

27、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，由此將帶來整個衛(wèi)星系統(tǒng)性能的全面提升。56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陣列因子單個天線的方向圖n 陣列因子僅僅與陣元個數(shù)、間距、激勵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57相控陣天線原理續(xù)13.5 相控陣天線 AFfeIfENndkjnn10cos0陣列因子單個天線的方向圖0r12nN1d2dnd 1

28、02104NnnrjnnnNnnrefIKEEn 1024NnnrjnreIfKEn假定各單元方向圖相同，10cos0NndkjnneIAF對于N元等間距線陣，58等幅激勵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593.5 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，最大指向在B方向，調(diào)節(jié)可

29、波束掃描。相控陣天線波束掃描續(xù)1B，對應(yīng)于最大波束指向）（時，當(dāng)1AFNB603.5 相控陣天線波瓣寬度NdB51cos12/1可見，波瓣寬度不但與N有關(guān)，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續(xù)2，可以求出波瓣寬度）（令，707. 0AFN，可得對于半波長間距，即2/dBNcos1022/1613.5 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續(xù)3NNNdAGe)4/(4)(44222220BBBNGGcoscos)(0623.5 相控陣天線波瓣零點和副瓣電平BpdNpsinsin10第一副瓣 -13.4dB， 第二副瓣 -17.9dB相控陣天

30、線波束掃描續(xù)4可得零點位置，）（令，0AFN的極大值，可得于個副瓣最大值對應(yīng)第)(AFnBnNdlsin) 12(sin12/) 12(1)(AFlnN第n個副瓣電平為，63相控陣天線波束掃描續(xù)53.5 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，可能出現(xiàn)柵瓣。64相控陣天線波束掃描續(xù)63.5 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65平

31、面相控陣天線3.5 相控陣天線n 面陣天線可進行二維波束掃描n 面陣天線的分析，可以應(yīng)用與線陣類似的方法。n 等幅激勵條件下，平面相控陣天線方向圖可看成是兩個正交線陣方向圖的乘積。n 若為了獲得低副瓣電平，平面陣列需要采用幅度漸變。zxy(m,n)dxdy單個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展，需要配置多個平面相控陣天線。663.5 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67強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）123

32、60616263匹配負載n 幅度、相位控制n 串饋、并饋結(jié)合68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 互耦影響阻抗，導(dǎo)致匹配下降n 分析方法主要有阻抗分析法互耦影響n 引起激勵電流變化n 引起單元反射增加n 產(chǎn)生盲點、凹陷或零點69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N單元的相控陣天線，可以通過一個N階的阻抗矩陣Z來表征天線單元的激勵電流與饋電網(wǎng)絡(luò)所提供的電壓之間的關(guān)系，即，互阻抗非零NNNNNNNNIIIZZZZZZZZZ

33、VVV2121222211121121，無互阻抗線上各項，無耦合時，僅有主對角NNZZZ00000022110Z激勵電流發(fā)生變化理想情況70相控陣天線的互耦問題分析續(xù)1 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，使得反射增加。場強如下：NNNNNNNNVVVCCCCCCCCCeee2121222211121121互耦項的存在，一般使得反射增加式中，Cki 反應(yīng)第 i 個單元對第 k 個單元反射的影響，與天線形式、陣元形式、間距、掃描等有關(guān)。71相控陣天線的互耦問題分析續(xù)2 3.5 相控陣天線n 互耦產(chǎn)生“盲點”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

34、描至某一方向時（如接近柵瓣的方向），可能會出現(xiàn)最大反射點，反射系數(shù)接近1。n 導(dǎo)致加在天線單元上的激勵信號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)一個很深的凹口，甚至零點。n 與此相應(yīng)，整個陣列的增益將急劇下降。這一現(xiàn)象稱為“盲點”，這時的波束指向也稱為“盲角”。 72圖3.38 Butler多波束形成網(wǎng)絡(luò)（BFN） 88 網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信號由Butler矩陣不同的端口輸入時，可以形成對應(yīng)于8個不同指向的波束。 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

35、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 相控陣天線的新進展 多波束相控陣73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74n有源相控陣天線：n多個T/R組建實現(xiàn)，降低損耗，提高靈敏度，可由饋電網(wǎng)絡(luò)在射頻實現(xiàn)，也可通過數(shù)字處理實現(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

36、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75有源集成天線陣列3.5 相控陣天線763.5 相控陣天線相控陣天線的新進展 DBFn 相控陣天線的波束形成通常是在射頻完成的。不易改動。n 要形成的波束數(shù)目較多時，硬件實現(xiàn)復(fù)雜，且難以調(diào)整。n 近二十年來，有源相控陣天線技術(shù)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。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)字化信號的任何空間域處理。773.5 相控陣天線相控陣天線的新進展 DBF續(xù)1n 具有快速、靈活的自適

37、應(yīng)零點控制，消除或補償由多路接收或發(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 接收模式過程舉例：n DBF網(wǎng)絡(luò)首先將陣列各天線單元的接收信號變換成基帶信號；n 在DSP中對來自各天線單元的基帶信號進行幅度和相位加權(quán)等處理；n 實現(xiàn)所要求的波束指向和波束形狀控制以及多波束形成。 783.5 相控陣天線相控陣天線的新進展 DBF續(xù)2n 工程實踐表明，DBF可以大大增強相控陣天線的靈活性和自適應(yīng)能力。n DBF應(yīng)用的主要限制：系統(tǒng)的復(fù)雜性和實時性。n DBF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)

38、。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。793.5 相控陣天線單元空間波束形成在單元空間單元空間實現(xiàn)波束形成：n 將陣列中各天線單元輸出的數(shù)字信號與一組加權(quán)系數(shù)直接進行加權(quán)求和運算，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)，可以實現(xiàn)波束指向調(diào)整、零點控制和波束賦形等功能。 803.5 相控陣天線波束空間波束形成在波束空間波束空間實現(xiàn)波束形成：n 是指陣列天線單元的輸出信號先經(jīng)過一個多波束形成網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一組相互正交的波束，n 然后每個波束的輸出再經(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)的實現(xiàn)復(fù)雜程度。 81圖右

39、：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82天線的自適應(yīng)特性：n 是指天線具有自動調(diào)整自身工作參數(shù)適應(yīng)周圍環(huán)境變化的能力。n 某些方向加強n 某些方向置零n 自適應(yīng)天線或稱自適應(yīng)陣列通常是一個以陣列天線為基礎(chǔ)構(gòu)成的多通道信號處理系統(tǒng)。n 考慮：單單元天線可否自適應(yīng)？自適應(yīng)天線3.6 自適應(yīng)天線83自適應(yīng)天線的組成：n 陣列天線 波束形成網(wǎng)絡(luò) 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進行復(fù)（幅度和相位）加權(quán)求和處理，形成所需要的方向圖，并實現(xiàn)對陣列天線波束指向以及零點位置的控制。n

40、 不同于相控陣天線的預(yù)先確定性矢量加權(quán)以形成掃描波束或多波束；n 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)則下隨時間進行更新。n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)進行實時調(diào)整。可劃分為信號處理器和自適應(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84n智能天線自適應(yīng)天線n數(shù)字波束n信號處理正向、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自適應(yīng)波束形成器3.6 自適應(yīng)天線85算法對于自適應(yīng)天線性能有決定性影響。n 在最優(yōu)波束形成技術(shù)中，自適應(yīng)算法通常是：n 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)（或稱為代價函數(shù)）為最小的一組加權(quán)系數(shù)。n 多種優(yōu)化算法可被采用。n 自適應(yīng)天線用于抑制干擾時，其核心問題是：n 如何在存在干擾/噪聲的環(huán)境下改善有用信號的接收性能。n 例如將波束零點指向強干擾處自適應(yīng)波束形成算法3.6 自適應(yīng)天線86自適應(yīng)波束形成計算簡例3.6 自適應(yīng)天線兩個全向天線單元組成自適應(yīng)接收陣列。陣元間距： 一載率為f0的窄帶信號s(t)，入射方向：同頻的干擾信號i(t)，入射方向：如何調(diào)整加權(quán)系數(shù)w1、 w2 ，才能使有用信號無失真輸出，而干擾無輸出（被抑制掉）？20dsi)exp(ww)()(21ssjtsty)exp(ww)()(21iijtity和按要求：