吴翀论文初稿范文.doc

吴翀论文初稿范文 分类号U DC密级公开编号xx031125成都信息工程学院学位论文智能圆环形阵列天线的辐射特性论文作者姓名吴翀申请学位专业电子科学与技术申请学位类别工学学士指导教师姓名(职称)杨进(教授)论文提交日期xx年06月01日智能圆环形阵列天线的辐射特性摘要阵列天线是由若干个相同的天线单元按一定规律排列并相互连接在一起组成的天线系统，用于产生强方向的辐射。 天线阵按单元的排列方式可分为线性阵、平面阵和三维立体阵，其各单元的中心分别排列在一条直线上、一个平面上和非平面共形表面上。 阵列天线的辐射场特性取决于单元的型式、位置、排列方式及其激励幅度和相位。 阵列天线已经在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中被广泛的应用。 本论文主要研究智能圆环形阵列天线的辐射特性。 采用电磁场辐射理论得到圆环形面阵列天线的方向性函数(,)F?表示式。 通过编程数值计算得到该阵列天线的方向性函数随角,?变化的二维平面曲线、二维极坐标曲线和三维立体方向图，展示该天线辐射场在空间的分布规律和特点，讨论阵元数、圆环半径和相邻圆环间的距离对辐射特性的影响。 计算结果表明圆环半径和相邻圆环间的距离一定，阵元数改变时，圆环形面阵列天线的方向性函数(,)F?发生周期性的增、减变化，方向性函数的幅度变化。 总的来说，随着阵元数N的增大，(,)F?峰值的锐度增加，出现尖锐多峰结构，辐射方向的集中度发生变化。 阵列天线是根据电磁波在空间相互干涉的原理，把具有相同结构、相同尺寸的某种基本天线按一定规律排列在一起组成的。 现代无线电设备，不管是通讯、雷达、导航、微波着陆、干扰和抗干扰等系统的应用中，越来越多的采用阵列天线。 在精密跟踪雷达天线系统中，为了提高工作性能，提高增益，增强方向性，往往需要阵列天线将能量集中于一个非常狭窄的空间辐射出去。 在射电天文望远镜的天线中，其主瓣宽度只有1/30度，必须采用阵列天线。 在多功能雷达系统中，既需要在俯仰面进行波束扫描，又需要改变相位展宽波束，还需要仅改变相位进行波束赋形，实现这些功能的天线系统只有相控阵天线才能完成。 随着各项技术的发展，阵列天线得到了越来越广泛的采用，功能也愈加强大。 到目前为止，随着阵列天线知识和技术的迅速发展，以及国际上对阵列天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型阵列天线的诞生。 目前，阵列天线一个比较先进的技术是与空间或空时自适应处理的信号处理技术结合起来，从而能够动态控制天线的方向图来优化接收信号。 另一个比较先进的利用阵列天线的技术是空时编码。 通过在发射和接收设备使用阵列天线，空时编码的通信系统能有效的利用多信道来支持以超过单一信道香农限制所预计的传输速率进行数据传输的通信。 新技术的指引下，目前研究及应用的新型阵列天线均含有以下显著特性 1、极窄波束，以提高天线的方向性和增益； 2、赋形波束和多波束； 3、波束的相控扫描； 4、低副瓣电平的方向图。 （增加内容，对阵列天线特性再详细说明。 ）这些新型阵列天线不仅作为基站天线、航管雷达天线应用于移动通讯系统中，在军用领域更是蓬勃发展，广泛应用于远程警戒雷达天线、预警机载雷达天线、炮瞄雷达天线、导弹制导雷达天线，微波着陆系统天线等。 实现了窄波束、低副瓣和相控波束扫描，提高了可靠性、稳定性和实时性等性能，完全或部分的代替了反射面机械扫描天线。 本文我们研究对智能圆环形阵列天线的辐射特性。 圆环形天线是将一根金属导线绕成圆形，以导体两端作为输出端的结构。 根据环形天线的周长L相对与波长的大小，环形天线可分为电大环（L）、中等环（/4L）和电小环（L 本文以个数为理论求出该阵列天线的辐射场，进一步求出该阵列天线的方向性函数。 通过编程计算出该阵列天线的方向性函数随角,?变化的平面曲线方向图和三维立体方向图，讨论该天线辐射场在空间的分布规律和特点。 第2页共24页2天线阵列单个天线的方向图较宽，增益和方向性也有限，为了得到较好的性能，常将多个单元天线组合在一起。 这种由若干个单元天线按一定的方式排列起来的辐射系统称为阵列天线（Antenna Array），构成天线阵的单元称为阵元。 阵元可以是半波振子、微带天线、缝隙天线或者其它形式的天线。 按照阵元中心连线轨迹，天线阵可以分成直线阵、平面阵、圆环阵、共形阵和立体阵。 实际的天线阵多由相似元组成。 所谓相似元，是指各阵元的类型、尺寸、架设方位等均相同。 天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量和。 只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的、更强的方向性。 2.1二元阵由两个阵元组成的天线阵称为二元阵。 假设两个相似元以间隔距离d放置在y轴上构成一个二元阵，阵元间电流关系为jemII12=（2-1）式中m、均是实数。 xyz()?,1rP1r2r?1I2Id图2-1二元阵示意图两个阵元远区辐射场可分别表示为1111160?a(,)?(,)?jkrIE?fer?=?（2-2）2222260?a(,)?(,)?jkrIEfer?=（2-2a）天线阵的远区辐射场为各阵元辐射场的矢量和，即?12(,)(,)(,)EEE=+?（2-3）对于相似元，远区辐射场的矢量方向相同，方向函数相同。 并且考虑到12r=?=12cosrrd?12rr得到观察点处的合成场为12121(,)(,)(,)(,)(1)jk rrEEEEme?+?=+=+（2-4）令第3页共24页12cosk rrkr+?=kd=+?+（2-5）则有()()110(,)(,)(1)60,1jjkrjEEmeI efmer?=+=+（2-6）式中为天线相对于天线的相位差。 它包括 1、电流的初始激励相位差，是一个常数； 2、波程差引入的相位差，即12cosk rrkrkd?=?=。 由上式可得到二元阵的合成方向函数为()()()0,1jffme=+（2-7）简写成0(,)(,)(,)afff=（2-8）其中(,)=+1jafme。 该式表明，天线阵的方向函数可以由两项相乘而得。 第一项0(,)f称为元因子，它与单元天线的结构及架设方位有关；第二项(,)af称为阵因子，取决于两天线的电流比以及相对位置，与单元天线无关。 2.2均匀直线阵均匀直线阵是指若干个结构相同的阵元均匀（等间距）排列在一条直线上，阵元激励等幅而相位沿阵轴呈等差级数分布。 假设有N个阵元沿y轴排列成一行，相邻阵元之间的距离相等都为d，如图所示。 激励电流幅度相等，相位依次相差，即1jnnIIe?=(2,3,)nN=?（2-9）1?N INI3I2I1Ixzy?1r2r3r1?N rNrd图2-2均匀直线阵示意图设坐标原点为相位参考点，当电波射线与阵轴线成角度时，相邻阵元在此方向上的相位差为第4页共24页coskd=+（2-10）根据辐射场叠加原理，可得N元均匀直线阵阵因子为123 (1)0()1Njjjj Njnanfeeeee?=+=?（2-11）简化后得到sin2()sin2aNf=（2-12）因子取最大值N，归一化阵函数为sin12()sin2aNFN=（2-13）根据方向函数乘积定理，均匀直线阵的方向函数等于阵因子乘以阵元的方向函数。 实际应用中，应尽量使阵元的最大辐射方向与阵因子一致，阵的方向性调控主要通过调控阵因子来实现。 N元均匀直线阵的归一化阵函数)(a F是的周期函数，周期为2。 在 (02)，的区间内，有两个函数值为1的极大值，发生在=0，2处，分别对应着方向图的主瓣和栅瓣；有N-2个函数值小于1的极大值和N-1个零点。 令sin02N?=?，知零点发生在02nN=(1,2,1)nN=?处，第一个零点为012N=；令sin12N?=?，可得函数值小于1的极大值发生在 (21)(1,2,2)mmmNN+=?处，该处对应方向图的副瓣。 图2-3归一化阵因子与?变化关系曲线第5页共24页取值范围为()0,180?，与之相对应的变化范围为kdkd+ 阵元间距d越大，可视区越大。 只有可视区中所对应的()F才是均匀直线阵的阵因子。 可视区内的方向图形状与d和同时有关，适当调整d和可获得良好的阵因子方向图。 2.3平面阵列阵元沿着一条直线排列构成直线阵，多个阵元以矩形网格形式排列，则构成平面阵。 在直角坐标系中，如果沿x轴排列的阵元数为M，沿y轴排列的阵元数为N，就组成了MN元的二维矩形平面阵。 与直线阵相比，平面阵增加了一个控制天线阵方向图形状的因素，使其具有较为对称的方向图和较低的旁瓣。 图2-4MN二维矩形平面阵示意图假设M个阵元沿x轴分布，间距x d，其阵函数可以表示为()()()()1sin cos11111,xxxMMj mkdjmaxmmmmfI eI e+?=（2-14）1m I为x轴向激励电流的幅度。 x为x轴向激励电流激励的初始相位。 如N个阵元沿y轴分布，间距y d，其阵函数可表示为()()()()1sin sin11111,yyyNNj nkdjnaynnnnfI eI e+?=（2-15）1nI为y轴向激励电流的幅度。 y为y轴向激励电流的初始相位。 由此可以得到MN元的平面阵的阵函数，即第6页共24页()()()()()111111111111,yxyxNMj njmanmnmMNj njmmnmnfII eeIeIe?=?=?=?（2-16）式中()sin cosxxxkd+=，()sin sinyyykd+=。 上式表明，二维矩形平面阵的阵函数是两个沿x轴和y轴一维阵函数的乘积。 如果y轴激励电流的幅度与x轴激励电流的幅度成比例，则第(的电流幅度可以表示成),m n个阵元11mnmnII I=（2-17）如若阵中所有阵元激励电流的幅度均相等（0IImn=Nj ne=），那么阵函数表示为()()()11011,yxMj mamnfIe?=?（2-18）归一化阵函数为()sinsin112?2?,sinsin22xyxyMNFMN?=?（2-19）其中()sin cosxxxkd+=，()sin sinyyykd+=。 对于矩形平面阵，当阵元的间距大于或等于2时，会出现栅瓣。 为了抑制x-z平面和y-z平面出现栅瓣，沿x和y方向排列的阵元间距必须满足22xydd时，()cossin cosnnnRrara?=?，辐射场的表达式可以简化第8页共24页成()()sin cos1,njkrNjkann?eE rIer?=（2-27）其中2nnN=。 一般情况下，阵元的激励电流可以表示成njnnI?Ie=（2-28）此时，辐射电场的表达式为()()()sin cos1,nnjkrNj ka?nnjkreE rIereFr?+?=?=（2-29）式中(),F为等间隔分布圆形阵的阵函数。 表达式为()n如果阵函数的最大指向为(n=?()sin cos1，则第n个阵元电流相位应为,nnNj ka?nFI e?+?=)ka（2-30）00,()00sincosn?（2-31）代入上式可得()()()000sin cossincos1(coscos)1,nnNjkannNjkannFI eIe?=?=（2-32）000cossin cos()cossincos()nn?=（2-33）为简化上式，令2200000(sin cossincos)(sin sinsinsin)a?=?+?（2-34）10000sin cossincostansin sinsinsin)?=?（2-35）则有00000000(coscos)(sin cossincos)cos(sin sinsinsin)sin(cos)cos?(sin)sincos()nnnnnkakakkk?+?=?+?（2-36）阵函数可以简化为()0cos()1,nNjknnFI e?=（2-37）对于电流均匀分布的圆形阵，其阵函数可表示为第9页共24页()()(2)00,jmNmNmFNIJke?)+=?=（2-38）式中()x是第一类贝塞尔函数，够大时，可近似用p J(00Jk称为主要项，其它为残余项。 当N足()00Jk表示圆形阵的方向函数。 （增加现在一些新的天线阵列。 ）3理论模型和公式一半径为a的圆环形天线上电流强度为0j tII e?=，式中0I为常量。 如图3-1所示。 环形天线在远场区辐射的电磁场为22()030sin(,)4i krtpIaE ree r?=（3-1）22()00I2sin(,)4i krtpaB rec r?=?（3-2）由式（3-1）、（3-2）可见圆环形辐射场的方向性函数为11(,)?()sinFF=（3-3）考虑在xy平面有N N个圆环形天线组成的面阵列天线，如图3-2所示。 X YZ ao P（r，）I图3-1环形天线第10页共24页图3-2中，相邻两阵元间的距离是d。 任意阵元（n，m）圆心的直角坐标为（n（2a+d），m（2a+d）其中n，m=0,1,2，N-1（3-4）在球坐标系中，OP直线的方向余弦为cossin cos?=，cossin sin?=，coscos=（3-5）阵元（0，0）与任意阵元（n，m）的路程差为 (2)sin cos (2)sinsin (2)sin(cossin)?nadmadadnm?=+=+?（3-6）阵元（0，0）与任意阵元（n，m）的相位差为2nm式（3-7）中，为辐射场的波长，k=2/，为辐射场的波数。 N N个半径为a的面圆环形天线阵列在远场区P点的总辐射场为2 (2)sin(cossin)?adnm?=+?（3-7）110001101,10000(,)E r?()nmNNjpNNnmEEEEEe?=+=（3-8）110001101,10000(,)B r?()nmNNjpNNnmBBBBBe?=+=（3-9）式（3-8），（3-9）中，0001101,10001101,1,NNNNEEEEBBBB?分别为阵元（0，0），（1,0）（N-1，N-1）在远场区场点所产生的辐射电场。 总辐射电磁场的模为Z YX（0，0）阵元d（N-1，0）阵元图3-2N N圆环天线组成的面阵列天线（0，N-1）阵元（n，m）阵元a dn mP（r，）（N-1，N-1）阵元第11页共24页11000000(,)Er?()(,)?nmNNjpNnmEeEF?=（3-10）11000000(,)Br?()(,)?nmNNjpNnmBeBF?=（3-11）式（3-10）、（3-11）中，1100(,)?()nmNNjNnmFe?=（3-12）为N N面圆形天线阵列的阵因子方向性函数。 N N面圆形天线阵列的总方向性函数为11100(,)?(,)?(,)?sin()nmNNjNnmFFFe?=?=（3-13）式（3-13）中，(,)?为P点的球坐标，取值范围为02，02?。 圆环的半径a取2或4等值，相邻阵元间的距离d取2或4等值，阵元数N取10，或50等，角取6，4或3等值，j为虚数。 由式（3-7），（3-13）可作出(,)F?的极坐标图和(,)F?随?变化的图。 4数值计算4.1数值计算结果运用MATLAB编程计算空间远场的总方向性函数(,)F?随?变化的曲线。 球坐标?为横轴，?的取值范围为0到2，循环的步长为0.1，总方向性函数F?为纵轴。 选取阵元数N=10或50，=(,)6，4或3，半径a=2，各阵元间距d=2。 各参数取值如下1)N=10，6/=，a=2，d=2；2)N=10，4/=，a=2，d=2；3)N=10，3/=，a=2，d=2；4)N=50，6/=，a=2，d=2；5)N=50，4/=，a=2，d=2；6)N=50，3/=，a=2，d=2。 远场的总方向性函数(,)F?随?变化的曲线图、极坐标图和立体图如下所示。 F?中用?标出。 下面图中横轴用?标出，纵轴(,)第12页共24页图4-1N=10，6?=时N=10，6?=时(,)F?随?变化的曲线图(,)F?随?变化的极坐标图图4-2N=10，4?=时N=10，4?=时(,)F?随?变化的曲线图(,)F?随?变化的极坐标图图4-3N=10，3?=时N=10，3?=时(,)F?随?变化的曲线图(,)F?随?变化的极坐标图第13页共24页图4-4N=50，6?=时N=50，6?=时(,)F?随?变化的曲线图(,)F?随?变化的极坐标图图4-5N=50，4?=时N=50，4?=时(,)F?随?变化的曲线图(,)F?随?变化的极坐标图图4-6N=50，3?=时N=50，3?=时(,)F?随?变化的曲线图(,)F?随?变化的极坐标图第14页共24页运用MATLAB编程计算空间任意一点P的总方向性函数(,)F?随,?变化的曲线，球坐标为X轴，球坐标?为Y轴，总方向性函数的取值范围为0到2，循环的步长为0.1。 选取阵元数N=10或50，半径a=(,)F?为Z轴，,?2，各阵元间距d=2。 各参数取值如下1)N=10，a=2，d=2；2)N=50，a=2，d=2。 图4-7N=10，a=2，d=2时(,)F?随,?变化的三维曲线图图4-8N=50，a=2，d=2时(,)F?随,?变化的三维曲线图第15页共24页4.2结果分析如上图4-1到图4-16所示，空间远区场的总方向性函数(,)F?是随,?变化而变化的曲线。 对不同的,?两个参数和阵元数目N，方向性函数(,)F?变化的振荡幅度、快慢、变化形状和趋势均不尽相同。 由图4- 1、图4-2和图4-3可知，在阵元个数N=10的情况下，空间远区场的总方向性函数(,)F?随着?的增加，其值呈周期性增减。 在图4-1中，6=时，(,)F?在2,32,2?=处取得最大值，其最大值约为7，在4,34,54,74?=处取得最小值，其最小值约为0.1；在图4-2中，4=时，(,)F?在2,32,2?=处取得最大值，其最大值约为35，在4,34,54,74?=处取得最小值，其最小值约为2；在图4-3中，3=时，(,)F?在以最大值约为7.4，在4,34,54,74?=为中心15范围内取得最大值，其2,32,2?=附近的一小段区间内取得最小值，其最小值约为0.1。 易从由图4- 1、图4-2和图4-3对比发现，当N=10时，随着由6到3的逐渐增加，(,)F?波峰的集中度逐渐降低，并产生了约4的移动，峰值先增加后减少。 由图4- 4、图4-5和图4-6可知，在阵元个数N=50的情况下，空间远区场的总方向性函数(,)F?随着?的增加，其值亦呈周期性增减。 在图4-4中，6=时，(,)F?在2,32,2?=处取得最大值，其最大值约为35，在4,34,54,74?=处取得最小值，其最小值约为0；在图4-5中，4=时，(,)F?在以28，在以2,32,2?=处取值约为19.5，在为中心9处取得最大值，其最大值约为2,32,2?=4,34,54,74?=处取得最小值，其最小值约为0.3；在图4-6中，3=时，(,)F?在2,32,2?=处取得最大值，其最大值约为8，在以4,34,54,74?易从由图4- 4、图4-5和图4-6对比发现，当N=50时，随着由=为中心15范围内取得次大值，其次大值约为4.2。 6到3的逐渐增加，(,)F?峰值的集中程度逐渐降低，并产生了一定的位移，最终形成最大值与次大值各间距4的分布。 由图4-1和图4- 4、图4-2和图4-5，及图4-3和图4-6可知，在一定时，随着阵元数N的增大，空间远区场的总方向性函数(,)F?随?变化的曲线也会发生改变。 对比图4-1和图4-4，易发现随着阵元数N的增大，(,)F?波峰的集中度增大了，最大值也大大增加；对比图4-2和图4-5，易发现随着阵元数N的增大，(,)F?曲线的最大值及分布发生了变化；对比图4-3和图4-6，易发现随着阵元数N的增大，(,)F?曲线在2,32,2上产生新的最值。 由变化趋势可以看出，当阵元数N增大时，空间远场区的总方向性函数(,)F?的幅度、第16页共24页分布均发生幅度及相位的改变。 由图4-7和图4-8可知，在三维空间内，空间远区场的总方向性函数(,)F?随,?呈周期性增减，在某些值达到最大，某些值达到最小。 对比图4-7和图4-8，易发现随着阵元数N的增大，(,)F?的三维图像更加的复杂，出现更多的起伏。 结论本文根据电磁场与电磁波的相关理论知识，得到空间远区场的总方向性函数(,)F?的公式，通过编程计算得到远场区的总方向性函数(,)F?随?变化的二维平面和极坐标曲线方向图，及(,)F?随,?变化的三维立体方向图。 数值计算表明当,?两个参数和阵元数N取不同值时，方向性函数(,)F?不同。 具体情况为在阵元数N及保持不变的情况下，(,)F?随着?的增加，其值呈周期性增减。 当N=10时，随着由6到3的逐渐增加，(,)F?波峰的集中度逐渐降低，并产生了约4的移动，峰值先增加后减少，辐射方向的集中度变差，出现多峰结构；而当N=50时，随着由6到3的逐渐增加，(,)F?峰值的集中程度逐渐降低，并产生了一定的移动，最终形成最大值与次大值各间距4的分布，辐射方向的集中度变差，出现多峰结构。 当值一定，阵元数N增大时，空间的总方向性函数(,)F?的幅度、分布均会发生幅度及位置的变化。 在三维空间内，(,)F?随,?呈周期性增减，并随着阵元数N的增大，(,)F?的三维图像更加的复杂，出现更多的起伏，呈现出尖锐多峰结构。 参考文献1童创民,梁建刚,张旭春.电磁场微波技术与天线.西北工业大学出版社,xx.5.2R.S.埃利奥持.天线理论与设计.国防工业出版社,1992.2.3刘学观.微波技术与天线（第二版）.西安电子科技大学出版社.xx.7.4周朝栋.王元坤.杨恩耀.天线与电波.西安电子科技大学出版社,xx.7.5汪茂光.吕善伟.刘瑞祥.阵列天线分析综合.电子科技大学出版社,1989.10.6陈天禄.郭燕红.阵列天线方向图的MATLAB实现.西藏大学学报,xx.6.7徐天赐.陈宏巍.栾秀珍.椭圆形阵列天线的方向特性研究.大连海事大学,xx.6.8王敏.阵列天线的结构电性能影响分析.西安电子科技大学,xx.1.9乐铁军.朱海冰.袁飞.有源阵列天线的发展及应用.信息综合控制国家重点实验室,xx.7.第17页共24页致谢本文是在杨进老师的热心指导下完成的，他渊博的知识和严谨的治学作风使我受益匪浅，在论文设计过程中不论问题多少、难易，都悉心指导讲解，对我顺利完成本课题起到了极大的作用。 在此向他表示我最衷心的感谢！在论文完成过程中，本人还得到了其他老师和同学的热心帮助，本人向他们表示深深的谢意！最后向在百忙之中评审本文的各位专家、老师表示衷心的感谢！作者简介姓名吴翀性别男出生年月1989-01民族汉E-mail418497412qq.第18页共24页声明本论文的工作是xx年3月至xx年6月在成都信息工程学院光电技术学院完成的。 文中除了特别加以标注地方外，不包