天線陣列輻射方向圖的研究

1、目錄TOC o 1-5 h z一、基本概念1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1.1方向圖基本概念11.2主瓣寬度21.2.1主瓣寬度基本概念及特性41.3旁瓣抑制4 基本概念1.1方向圖基本概念天線的輻射電磁場(chǎng)在固定距離上隨角坐標(biāo)分布的圖形，稱為方向圖。用輻射場(chǎng)強(qiáng)表示的稱為場(chǎng)強(qiáng)方向圖，用功率密度表示的稱之功率方向圖，用相位表示的稱為相位方向圖。天線方向圖是空間立體圖形，但是通常應(yīng)用的是兩個(gè)互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖，稱為平面方向圖。在線性天線中，由于地面影響較大，都采用垂直面和水平面作為主平面。在面型天線中，則采用平面和H平面作為兩個(gè)主平面。

2、歸一化方向圖取最大值為一。在方向圖中，包含所需最大輻射方向的輻射波瓣叫天線主波瓣，也稱天線波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或邊瓣，與主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣，見圖1：全向天線水平波瓣和垂直波瓣圖，其天線外形為圓柱型；圖2：定向天線水平波瓣和垂直波瓣圖，其天線外形為板狀。C-2TC-圖1全向天線波瓣示意圖1-1切1M-定向天線水平波瓣圖2TG-E中2JM-乩汨。如不特殊說明，通常主瓣寬度是指半功率主瓣。副瓣電平，天線往往不止一個(gè)副瓣，而是有若干個(gè)。僅靠主瓣的副瓣叫第一副瓣，依次為第二，第三、副瓣，這些副瓣的峰值可能是不同的。為估計(jì)副瓣的強(qiáng)弱，通常用副電平表示，其定義是任一副瓣的最大值與主瓣的最

3、大值之比稱為該副瓣的副瓣電平，其中最大值稱為天線的最大副瓣電平0。通常，第一副瓣電平即為最大副瓣電平。副瓣電平通常用分貝表示，如第i個(gè)副瓣電平可表示為SLL=20lgdBIEri/式中為第i個(gè)副瓣的場(chǎng)強(qiáng)最大值，匸沙；為主瓣的最大值。這樣，對(duì)于各個(gè)副瓣均可求得其副瓣電平值。在工程中，通常第一副瓣電平最大，記為SLL。前后比后半最大模值與主瓣最大模值之比稱為前后比，即前區(qū)最犬場(chǎng)值dB后區(qū)最大場(chǎng)值。方向系數(shù)在離天線某一距離處，天線在最大輻射方向上的輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無方向性天線在同一距離處的輻射功率流密度之比。1.2.1主瓣寬度基本概念及特性主瓣寬度即半功率點(diǎn)波瓣寬度。天線功率輻射擊

4、是否集中，可以用主瓣寬度這一參量來表示。主瓣寬度越小，方向圖越尖銳，表示天線輻射越集中。參見圖3a,在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。如果反天線在各方向輻射擊的強(qiáng)度用從原點(diǎn)出發(fā)的矢量長短來表示，則連接全部矢量端點(diǎn)所形成的包絡(luò)就是天線的方向圖。它顯示出天線的在不同方向輻射的相對(duì)大小，這種方向圖稱為立體方向圖。矢徑的方向代表輻射的方向，矢徑的長短代表輻射擊的強(qiáng)度。0陽1,3.H-10dBQ-IQdBE1.34b-3dB淋肉水a(chǎn)圖3b還有一種波瓣寬度，

5、即10dB波瓣寬度，顧名思義它是方向圖中輻射強(qiáng)度降低10dB（功率密度降至十分之一）的兩個(gè)點(diǎn)間的夾角見圖3b。一般用分貝來表示：101g副瓣最大值功率/主瓣最大值功率。1.3旁瓣抑制在天線系統(tǒng)中,降低旁瓣電平具有實(shí)際意義,然而天線陣的主瓣寬度和旁瓣電平是既相互依賴又相互對(duì)立的一對(duì)矛盾。天線陣方向圖的主瓣寬度小,則旁瓣電平就高；反之,主瓣寬度大,則旁瓣電平就低。均勻直線陣的主瓣很窄,但旁瓣數(shù)目多、電平高;二項(xiàng)式直線陣的主瓣很寬,旁瓣就消失了。對(duì)發(fā)射天線來說,天線方向圖的旁瓣是朝不希望的區(qū)域發(fā)射,從而分散了天線的輻射能量;而對(duì)接收天線來說，從不希望的區(qū)域接收,就要降低接收信噪比,因此它是有害的。但

6、旁瓣又起到了壓縮主瓣寬度的作用,從這點(diǎn)來說,旁瓣似乎又是有益的。實(shí)際上,只要旁瓣電平低于給定的電平,旁瓣是允許存在的。能在主瓣寬度和旁瓣電平間進(jìn)行最優(yōu)折中的是道爾夫切比雪夫分布陣。這種天線陣在滿足給定旁瓣電平的條件下,主瓣寬度最窄。道爾夫切比雪夫分布陣具有等旁瓣的特點(diǎn),其數(shù)學(xué)表達(dá)式是切比雪夫多項(xiàng)式。道爾夫切比雪夫分布邊射陣是最優(yōu)邊射陣,它所產(chǎn)生的方向圖是最優(yōu)方向圖。信號(hào)的覆蓋主要靠天線的主瓣和主瓣下面的旁瓣來保證，而主瓣上面的旁瓣不僅浪費(fèi)了天線輻射的能量，分散了功率，而且對(duì)接收天線來說還引入了噪聲，并且會(huì)對(duì)相鄰小區(qū)特別是相鄰小區(qū)的高層建筑形成干擾，所以天線上面的旁瓣應(yīng)該盡量抑制，尤其是較大的第

7、一副瓣，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)主瓣下面零點(diǎn)的填充。天線零點(diǎn)填充值的計(jì)算公式如下：天線零點(diǎn)填充值=垂直第一下零點(diǎn)幅值/最大輻射方向幅值）%=20log垂直第一下零點(diǎn)幅值/最大輻射方向幅值）dB主瓣上面的第一旁瓣電平應(yīng)小于T8dB；主瓣下面的第一零點(diǎn)電平應(yīng)大于-20dB,如果能達(dá)到T2dB是非常好的選擇。近幾年提出的旁瓣抑制方法主要有兩類:一類是基于凸優(yōu)化理論,如二階錐規(guī)劃、半定規(guī)劃等。由于凸優(yōu)化問題可以利用內(nèi)點(diǎn)法快速求得全局最優(yōu)解,因此這類算法有收斂速度快,效率高等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)算法在凸優(yōu)化問題建模過程中引入了近似,影響了波束形成器的最優(yōu)性,且不能對(duì)主瓣寬度、信噪比增益等進(jìn)行靈活控制;另一類旁瓣抑制方法是基于人工智能算