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1、2东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文)毕业论文阵列天线方向图综合分析与仿真系 别电子信息系专业名称通信工程班级学号4080720学生姓名 指导教师 2012年6月4日 东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第I页阵列天线方向图综合分析与仿真摘 要阵列天线就是近代天线研究的一种方向，其研究催生了包括相控阵天线，频扫天线，多波束天线、MIMO天线等在无线通信，雷达，导航领域中广泛应用的新型天线。而阵列天线方向图是一种描述阵列天线辐射特性的方式。本文首先介绍天线的基本概念和阵列天线的数学模型，并按照定义对典型阵列天线进行分析。通过对二项式阵的分析，然后介绍最经典，应用最广泛的道尔夫-切比雪夫综合算法、泰
2、勒单变量综合法、泰勒-切比雪夫误差综合法、副瓣课可控泰勒综合法、傅里叶变换法、微扰法等几种常见阵列天线综合算法。通过这几种综合算法的方向图比较，总结出其特点。最后介绍在实际工程中，减小阵列天线耦合的算法。本文以阵列天线的方向阵因子为主要研究对象来分析和综合均匀直线阵天线的方向性。讨论阵列天线方向图中主射方向和主瓣宽度随各参数变化的特点，并借助MATLAB绘制出天线方向性因子的二维方向图、展示天线辐射场在空间分布的规律，表现辐射方向图的特点。关键词：阵列天线，道尔夫-切比雪夫综合算法，泰勒综合算法，微扰法Synthesis and analysis of array antenna patter
3、n and simulationAbstractThe array antenna is a direction of modern antenna, their research gave birth to the phased array antenna, frequency sweep antennas, multi-beam antennas, MIMO antennas and other new antennas which are extensively applied in wireless communications, radar and navigation field.
4、 However, array antenna pattern is a description of their radiation characteristics.This paper first introduces the basic concepts of the antenna and array antenna mathematical model and analyzed some typical array antennas. Based on binomial, then describes the most classic and most widely used Due
5、lfer - Chebyshev intergrated algorithms, Taylor - to cut the Chebyshev error intergrated method, the class of perturbation method and several common array antenna algorithm. Compared these array antenna pattern based on these types of algorithm, summed up their characteristics. Finally, in the actua
6、l project, illustrating algorithm to reduce the array antenna coupling effection.The main object of study is to analyze array antenna and integrate uniform linear array antenna directivity based on . Discuss the characteristics of the array antenna pattern main shoot direction and the width of the m
7、ain lobe with each parameter change, and using MATLAB to draw the two-dimensional pattern of the antenna directivity factor, showing the antenna radiation field in the spatial distribution of law, the performance of the radiation pattern features.Key words: Array antenna，Duelfer - Chebyshev intergra
8、ted algorithm，Taylor intergrated algorithm，Perturbation method目 录1 绪论11.1 研究的背景和意义11.2 国内外研究的现状21.3 本文的研究内容31.4 章节安排32 天线和阵列天线42.1 引言42.2 天线的基本参数定义42.3 阵列天线的理论基础62.3.1 电磁波的干涉与叠加62.3.2 方向图乘积定理72.4 天线阵的几种常见阵列72.5 本章小结83 直线阵列的分析和综合93.1 引言93.2 直线阵列分析93.2.1 边射阵113.2.2 普通端射阵113.2.3 强方向性端射阵123.3 直线阵列的综合算法1
9、33.3.1 副瓣电平控制133.3.1.1 道尔夫-切比雪夫综合算法143.3.1.2 泰勒综合算法-单变量方法173.3.1.3 泰勒综合法-切比雪夫误差方法203.3.1.4 副瓣结构可变的泰勒综合法253.3.1.5 旁瓣电平控制的综合法对比263.3.2 方向图逼近-傅里叶变换综合法273.3.3 微扰法的应用283.4 本章小结304 工程中的阵列天线314.1 引言314.2 激励方式314.3 逐元法314.3.1 散射法314.4 本章小结33结 论34致 谢35参考文献36附 录37附录A37英文原文37中文译文41附录B43部分仿真程序源代码431 绪论天线是一种用于发射
10、和接受电磁能量的设备。在许多场合，由单个天线（或称为单个辐射器）就可以很好地完成发射和接受电磁能量的任务，如常用的各种线天线，面天线，反射面天线等，其本身就可以独立工作。但这些天线形式一旦选定，其辐射特性便是相对固定的，如波瓣指向、波束宽度、增益等，这就造成某些特殊应用场合的局限性，如雷达天线一般要求较强的方向性、较高的增益、很窄的波束宽度、波束可以实现电扫描及其它一些特殊指标，单个天线往往不能达到预定的要求，这时就需要多个天线联合起来工作，共同实现一个预定的指标，这种组合造就了阵列天线。若干个天线（辐射器）按照一定的方式安排和激励，利用电磁波的干涉原理和叠加原理来产生特殊的辐射特性，这种多辐
11、射器的结构就称为天线阵，构造成的阵列排列的多天线就可以看做事一个独立的天线，称为阵列天线，构成阵列天线的单个辐射器就称为单元。1.1 研究的背景和意义阵列天线综合算法的背景：方向图综合问题最初的研究工作集中在由均匀分布，各向同性元构成的阵列天线上。1946年，Dolph首先提出在均匀线阵的基础上实现切比雪夫方向图的综合方法，这一方法解决了在主瓣宽度一定的条件下，如何使旁瓣峰值电平最低的方向图综合问题。Taylor，Hyneman，Elliott也提出了各种具有均匀旁瓣的方向图综合方法。但是上述方法的共同特点是只适用于均匀分布的各项同性阵元构成的阵列，而不能直接用于任意阵。1990年0len和C
12、ompton提出将自适应原理应用于阵列方向图综合中。这种方法有很多通用性，可用于任意阵列，但该算法的收敛特性很大程度上取决于循环增益K,K值很难选取，只能适用试凑法来选取，另外该算法的精度也无法得到保证。综合算法的意义：近几十年来，阵列方向图的综合问题引起了人们的广泛关注，并且随着全球通信业务的迅猛发展，智能天线已经成为卫星通信和移动通信的研究热点。天线通信系统一般要求天线阵列方向图具有一定主瓣宽度，特殊的主瓣形状和低的旁瓣电平等等。因此需要根据这些指标用相关算法获得最佳的天线阵列阵元权系数，这种技术称为阵列方向图综合。阵列方向图综合是指按规定的方向图要求，用一种或者多种方法来进行天线系统的设
13、计，使系统产生的方向图与所要求的方向图良好逼近。因此，方向图综合问题实际上是天线分析的反设计，即在给定方向图要求的条件下设计辐射源分布。所要求的方向图随着应用的不同而有多种变化。例如：车载通信、地-空或者陆-海搜索雷达所用的天线往往需要产生一种扇形波束，即在方向图主瓣范围内（扇形空间）有均匀辐射，除此而外的空间应无辐射。又如：某同步轨道中的通信卫星要求产生分离的双波束，一个波束对准西部美洲，另一个波束对准阿拉斯加，即要求两个主瓣，而主瓣区内要均匀辐射，照射地球的其他区域的旁瓣应尽量低以减少干扰，照射地球以外的其他区域则允许有较高的旁瓣。天线阵列综合对于相控阵雷达同样具有重要意义，对于预警雷达而
14、言，总是希望阵列方向图主波束尽量窄，旁瓣尽量低，这样就易于发现目标，降低干扰的影响。1.2 国内外研究的现状阵列天线相关领域的应用非常多，下面介绍关于算法的研究成果和两种应用广泛的新型天线。(1)算法成果粒子群优化（PSO）：最早是由Kennedy和Eberhart等于1996年提出的。最为一种随机智能算法，有着收敛速度快、运算简单、易于实现的特点，但也存在易于发散、容易陷入局部最优等缺点。近年来，针对PSO的缺点提出了雁群算法，它借鉴雁群的飞行特征，对标准PSO提出两方面改进：一方面，将全局极值变换为按历史最优适应值排序后，其前面那个较优粒子的个体值保持了粒子的多样性，扩大了搜索范围；另一方
15、面，使每个粒子利用更多其他粒子的有用信息，通过个体极值加权平均，加强粒子之间的合作与竞争。遗传算法（Genetic Algorithm，GA）：又译为基因算法。20世纪60年代末期到70年代初期，美国Michigan大学的John Holland教授与其同事、学生们研究形成了一个较完整的理论和方法，从试图解释自然系统中生物的复杂适应过程入手，模拟进化的机制构造人工系统的模型。Holland教授于1975年出版了其开创性著作“Adaptation in Natural and Artifical System”，该书详细阐述了遗传算法的理论，并为其奠定了数学基础，发展了一整套模拟生物自适应系统的理论，他认为遗传算法本质上是自适应系统的算法，应用最多的是系统最优化研究。(2)阵列天线应用相控阵：通过改变阵列的馈电相位，从而移动整个阵列天线合成波束，相控阵由于具有控制灵活，天线结构和转动机械要求低、波束扫描快和精度高等优势，尤其是随着电子技术的进步，使得基于半导体的控制电路成本越来越低、一致性越来越好，这种扫描方式已经逐渐占据了主导地位，目
