移動通信中的天線陣特性

移動通信中天線陣列特性基于MATLAB實現(xiàn)編制姚晨，李松，許喜樂(安徽省，六安市，皖西學院，信息工程學院，通信0901，23700)摘要：天線陣是移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)的通信質(zhì)量。天線陣種類繁多，性能各異。描述天線陣特性的參數(shù)很多，且計算復雜，尤其是描述天線陣方向特性的方向性圖為立體圖，繪制非常困難。為了解決這些問題，本文以天線的方向函數(shù)為主要研究對象分析天線的方向特性。在此基礎(chǔ)上采用MATLAB語言編制了一個天線陣列特性分析軟件，實現(xiàn)了天線特性參數(shù)的計算和靈活繪制天線方向性圖的功能。該軟件涵蓋了多種不同類型的天線，根據(jù)選定的天線類型，通過輸入相應(yīng)的參數(shù)，點擊繪制圖形功能，便可以繪制出天線陣的立體方向性圖。該軟件還具有計算功能，利用該軟件可以計算天線的主瓣張角、主瓣寬度和方向性系數(shù)等一系列參數(shù)。通過構(gòu)造任意的方向性函數(shù)，該軟件還實現(xiàn)了自定義方向性函數(shù)的功能，利用該軟件可以繪制出輸入的規(guī)定范圍內(nèi)的此方向性函數(shù)的極坐標方向性圖，同時還可以返回此圖中最大值所在的位置，為空間方向角的間隔選取提供參考，并能保存此方向圖的圖片。該軟件具有較強的方向性圖繪制功能和天線特性參數(shù)的計算功并能保存此方向圖的圖片。該軟件具有較強的方向性圖繪制功能和天線特性參數(shù)的計算功能，在教學和工程實際中都具有一定的實用價值。關(guān)鍵詞：天線陣，方向性，方向性圖，MATLAB語言Abstract：Mobilecommunicationsantennaarrayisanimportantpartofthesystem,itsperformanceisdirectlyconnectedtothesystemofcommunicationquality.Antennaarrayawiderangeofdifferentproperties.Describethecharacteristicsofantennaarrayparametersaremany,andcomplexcalculations,particularlydescribingthecharacteristicsofantennaarrayorientationpictureshowsthedirectionofthree-dimensionalmaps,verydifficult.Toaddresstheseissues,thisarticleantennasfunctionasthemainobjectofthedirectionoftheantennacharacteristics.Onthisbasis,developedusingMATLABlanguagefeaturesanarrayofsoftware,toachievethecalculationoftheantennaparametersandflexiblemappingfunctionoftheantennadirectionaldiagram.Thesoftwarecoversmanydifferenttypesofantennas,accordingtotheselectedantennatype,byenteringthecorrespondingoftheparameters,clickondrawinggraphics,wecandrawoutthethree-dimensionalpatternoftheantennaarray.Thesoftwarealsohasacalculationfunction,usingthesoftwarecancalculatetheinclinationoftheantennamainlobe,mainlobewidthanddirectivityandaseriesofparameters.Functionbyconstructinganarbitrarydirection,thesoftwarealsoimplementsacustomfunctiondirectionalfunction,usingthesoftwarecandrawwithintheprovisionsoftheinputfunctionofthisdirectionalorientationpolarmap,andalsocanreturntothismapthemaximumposition,thedirectionforthespaceintervalselectedreferenceangleandthepreservationofthispatterninthepicture.Thesoftwarehasastrongdirectionalmappingfunctionandtheantennaparametersofcomputinginteachingandengineeringpracticehavesomepracticalvalue.Keywords:antennaarray,direction,directionalmap,MATLABlanguage前言：近年來，隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷進步，移動通信業(yè)務(wù)正以前所未有的速度迅速發(fā)展。天線陣作為移動通信系統(tǒng)的重要組成部分，其性能好壞對整個系統(tǒng)的工作起著舉足輕重的作用。隨著3G技術(shù)的開發(fā)與日趨成熟，無線公共信號網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴大，天線陣的應(yīng)用日趨廣泛。天線陣種類繁多，性能各異。描述天線陣特性的參數(shù)很多，且計算復雜，尤其是描述天線陣方向特性的方向性圖為立體圖，繪制非常困難。為了解決這些問題，同時也結(jié)合大連海事大學教改項目的要求，本文采用MATLAB語言編制分析天線陣列特性的通用軟件。該軟件可用于實際教學，在工程實際中也有參考應(yīng)用價值。天線的遠區(qū)場是一組復雜的函數(shù)，對不同天線的輻射場的分析可以從中得到此種天線的各種重要的性能電氣參數(shù)。方向性函數(shù)是表征輻射場在不同方向輻射特性的重要關(guān)系式，如果對它的分析和認識如果僅僅停留在方向性函數(shù)以及公式中各參數(shù)的討論上，將很難理解天線輻射場的空間分布以及定向天線集中輻射的概念。表征天線輻射場空間分布的方向性函數(shù)如果通過二維、三維圖形顯示，便可直觀、形象化地展示并揭示各參量之間的內(nèi)在關(guān)系。目前，繪制天線方向性圖的一般方法是根據(jù)描述天線輻射場特性的方向性函數(shù)，計算各空間角對應(yīng)的函數(shù)值，然后繪制出方向性圖。由于方向性函數(shù)是三維空間角的函數(shù)，所以繪制出的方向性圖是立體圖。然而立體圖很難畫，目前教學和工程實際中都是先繪制出兩個特殊平面——赤道面和子午面的方向性圖，然后想象出立體圖。然而，對于比較復雜的方向性圖，通常很難僅通過兩個平面圖想象出立體圖。本文首先根據(jù)天線的基本理論，分析了電流元、對稱振子天線、直線陣列天線以及垂直接地天線的方向圖函數(shù)F（,）隨各參變量變化的規(guī)律以及相關(guān)天線赤道面、子午面的二維圖形的特點，討論了各個天線的最大輻射方向、主瓣寬度、方向性系數(shù)、輻射電阻等參量隨方向角變化的二維、三維圖形的特點，然后借助MATLAB的繪圖功能，編制了能繪制各種天線二維、三維方向性圖的軟件。利用該軟件繪制的方向性圖可以觀察到天線輻射場在不同方向的輻射能量分布，直觀清楚地表現(xiàn)了輻射場空間分布的特點。論文還對任意輸入方向性函數(shù)的繪制方法也進行了嘗試，并取得了一定的成果。1天線的相關(guān)基礎(chǔ)知識1．1各種不同類型天線1.1.1對稱振子對稱振子是一種經(jīng)典的、迄今為止使用最廣泛的一種天線結(jié)構(gòu)形式。兩臂長度相等的振子叫做對稱振子。每臂長度為四分之一波長、全長為二分之一波長的振子稱為半波對稱振子。半波對稱振子性能優(yōu)良，應(yīng)用最為廣泛。單個半波對稱振子可以簡單地單獨立使用，也可以用作拋物面天線的饋源，采用多個半波對稱振子還可以組成天線陣。全波對稱振子的Ｅ面方向圖如圖1.１（b）所示。圖1.1不同長度對稱振子的E面方向性圖圖1.1(c)、1.1(d)、1.1(e)和1.1(f)分別為L=5/4、L=6/4、L=7/4和L=2對稱振子的E面方向圖。由于振子長度大于一個波長時，天線振子臂上的電流不完全同相，反向電流對輻射產(chǎn)生抵消作用，因而方向圖出現(xiàn)多瓣形狀。1.1.2天線陣在實踐中，為了使輻射場實現(xiàn)某種方向性，常常把若干個天線按某種排列方式組合在一起，這樣就構(gòu)成了天線陣。天線陣是將若干個天線按一定的規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)。利用這種天線系統(tǒng)可以獲得所期望的輻射特性，諸如更高的增益，需要的方向性等。組成天線陣的獨立單元，排列的方式有直線陣，平面陣。構(gòu)成天線陣的每一個天線稱為單元天線。由n個單元天線構(gòu)成的天線陣就稱為n元天線陣。圖2.2給出了以半波對稱振子為單元天線的各種排列方式的天線陣，其中圖1.2(a)、圖1.2(b)中各單元半波對稱振子的中心排列成一條直線，稱為直線天線陣；圖1.2(c)中各單元半波對稱振子的中心在一個平面之內(nèi)，稱為平面天線陣；圖1.2(d)中各單元半波對稱振子的中心處于三維空間中，稱為立體天線陣。圖1.2直線、平面和立體天線范1.業(yè)2天都線的符特性傳參數(shù)懲天線柳方向誠性圖還主瓣促兩側(cè)矮兩個赤零輻克射方忘向之崇間的鋒夾角復稱為尋主瓣酷張角縣，又吊稱為葉零功田率波翠瓣寬植度，晨習慣蜻上用給2國θ羨0表肥示。剛2橋θ設(shè)0恢是一逆?zhèn)€完駱整的斜符號搞，并遲不是慕θ舍0待角的捐2倍枯。媽功率長流密針度和膏輻射待強度查分別刺是最覆大輻襖射方郵向功脅率流姐密度秒和輻巾射強穿度一扣半，版這兩跌個方清向稱左為半或功率衫輻射肝方向洋，而畜它們紡之間醋的夾染角則墻稱為殖主瓣享寬度臨，又獨稱為奏半功裂率波足瓣寬斤度。竭如果舌在天埋線某要個主怎平面土方向厘性圖滅的主危瓣上盟，預(yù)θ狗1技和晨θ欺2餐是使央歸一騰化方翼向性汽函數(shù)詞值等碰于0悔.7匹07喘的兩咬個方誦向，唯則主砌瓣寬晃度可制按下掀式計竭算佳因頌醉竄稿火緣濾(1疑.2閑1接）嚴如果容方向爸性圖懇對稱李，主刷瓣寬矩度也急可以話按下柜式計蘋算么儉女閃半滴夏愈坐垂僵(禿1.傅22密）千與主季瓣張景角一新樣，槽主瓣畫寬度寬2碎0.堅5也舊是一冶個完瓜整的勞符號闖。叢輻射巖電阻錄對于附給定服的觀畢察點尋P（雞r,皇）可磁以將拔方向嚴性函妥數(shù)表遠示為午，由刊此可捆得平殊均波們印亭轎矢量由為沖，對為上式專積分型可得廚輻射并功率答為：慈載(去1.附23趴）土選定漿參照務(wù)電流渡后，指就可警以確諸定天責線的禍輻射聯(lián)電阻鑼：普（冰1.律24職）形從上扇式可冒以看抱出輻艷射電醉阻式故反應(yīng)伶天線閉輻射能電磁專波能夫力的懷一個錢參數(shù)號。在萄相同蚊的參在照電凈流下僅，輻俯射電盛阻越霧大，蛾天線挽輻射假功率丙越大帶。秒自由窯空間宿中輻忽射功澆率為榜的天崇線在遷全方?jīng)Q向4犬立體菌角內(nèi)適輻射檔強度爐的平旁均值澆稱為園平均蛛輻射盛強度死，即綁：闊（諸1.糖25奮）延方向明性系英數(shù)可票以定殿義通雙過輻適射強纖度，炎功率吼流密乓度和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