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1、班 班级 021114学学号 02111362本科毕业设计论文题 目 圆环阵列天线结构研究学 院 电子工程学院 专 业 电磁场与无线技术 学生 导师 / 摘 要在移动通信技术被广泛应用的今天，阵列的处理技术也得到了极大的发展，以此形成了智能天线的研究领域。在移动通信技术发展中，以自适应阵列天线为代表的智能天线已成为最活跃的研究领域之一。自适应阵列天线中最常见的两种阵列分别是线性阵列和圆形阵列，其中线阵只能有180的扫描围，而圆形阵列却可以提供360的方位角，通过循环移动阵列激励，阵列能简单且灵活的操纵波束方位，从而获得理想的空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达的方向，旁瓣和零陷对准干扰信
2、号到达的方向，达到充分高效的利用用户信号和删除或抑制干扰信号。本文主要分析了圆环阵列的性能，在此基础上对几种圆环阵列的阵型进行仿真和分析，探究了几个圆环阵的参数对整个圆环阵天线性能的影响。关键字：阵列天线 对称振子 方向图 圆环阵列ABSTRACTToday, mobile communication technology is widely used, and the technology of array processing has been greatly developed, forming the research area of smart antenna. In the pro
3、cess of the development of mobile communication technology, the smart antenna which is represented by the adaptive array antenna has become one of the most active research areas.The two most common array adaptive array antenna are linear array and circular array, the linear array can only have a sca
4、nning range of 180 degrees, while the circular array can provide 360 degree azimuth angle, By circulated moving array incentives, the beam azimuth of array can be simple and easily controlled, in order to obtain the ideal space directional beam , and to make the main beam of the antenna point at the
5、 direction of the user signal arrival ,and to let the side lobe and zero notch alignment interference signal arrival, to achieve full and efficient using of user signal and removing or suppressing interference signals. This paper mainly analyzes the performance of the circular array, on that basis,
6、we simulate and analyze several kinds of ring arrays, and explore several important parameters that have an effect on performance of the loop array antennas.Key words: array antenna dipole pattern the ring array目 录第一章 绪论11.1研究背景11.2国外研究现状11.3 使用软件介绍21.4 本文主要容与文章结构安排41.5 本章小结4第二章 阵列天线基本原理52.1电磁波的干涉与叠
7、加原理52.2方向图乘积定理52.3本章小结7第三章 直线阵列和圆形阵列93.1直线阵93.1.1 均匀N元直线93.1.2 均匀N元直线阵的方向性系数133.2圆环阵列143.2.1方向函数153.2.2方向性系数163.3最优权向量准则173.3.1 最小均方误差(MMSE)准则173.3.2 最大信噪比(MSNR)准则183.4直线阵与圆阵的性能比较193.5本章小结20第四章 圆环阵列结构的研究与仿真214.1 圆环阵阵元设计214.2 圆环阵列的要求214.3圆环阵半径变化对圆环阵的影响224.3.1阵列天线设计：224.3.2阵列仿真结果：224.3.3仿真结果分析：264.4阵元
8、数变化对圆环阵的影响264.4.1 阵列设计：264.4.2 阵列仿真结果274.4.3 仿真结果分析：304.5双圈圆环阵与单圈圆环阵的比较314.5.1 阵列设计：324.5.2阵列结果仿真：324.5.3 仿真结果分析：344.6 本章总结34第五章 500MHz圆环阵天线设计355.1建立模型355.2 天线仿真结果365.3 波束调向性能测试375.4 本章小结38第六章 总结39致 41参考文献43第一章 绪论1.1研究背景现如今，从移动个人通信服务再到雷达等各种无线通信系统，智能天线技术在其中都占有重要地位，智能天线正成为各种无线应用性能的重要助手。并且，智能天线领域如今发展迅速
9、，智能天线技术的新的无线应用的需求正在呈指数级增长。智能天线在无线应用领域和雷达等遥感领域有着巨大的优势，在无线移动领域中，智能天线可以通过让窄带波束指向期望的方向，让零点对准其他不需要的用户，从而提供更高的系统容量。这就允许信噪比更高、功率电平更低，允许同一小区频率复用因子更高。这一概念被称为空分多址（Space Division Access，SDMA）。在美国，大多数基站将每一个小区划分为3个120的扇区，这使得单个小区中系统容量潜在地提高了3倍，因为在3个扇区中每个扇区的用户都可以共享一样的频谱资源。大多数基站都可以修改成为每个扇区都包含有智能天线。这样，120的扇区能够进一步划分。从
10、而能够进一步降低功耗电平，并且获得更高的系统容量和更大的宽带1。智能天线包括射频天线阵列部分和信号处理部分，其号处理部分根据通信情况的信息，实时地控制天线阵列的接受和发送特性。把具有一样极化特性、各向同性与增益一样的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。天线阵列的阵元排列方式可以是任意的，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距片排列，其间距一般取工作波长的一半，并取向一样。智能天线系统是由天线阵列、阵列形状、模数转换等几部分组成2。因此，对于智能天线阵列的结构研究依然是十分重要的。本文对圆环阵列结构做了研究，并探究了几种对圆环阵列结构影响的因素。1.2国外研究现状虽然智能天线的概念早在20世
11、纪50年代后期就已经存在，最初被广泛应用于雷达、声纳与军事通信领域，由于价格和技术等因素一直未能普与到其他领域。在早期，因为自适应算法通常是用模拟器件来实现的，所以早期的智能天线或自适应天线能力有限。直至近年来，现代数字信号处理技术发展迅速，数字信号处理芯片能力不断提高。分辨率从8比特到24比特，采样率达到20千兆采样每秒（GSa/s）的ADC现已成为现实。随着时间的推移，超导数模转换器将能以100GSa/s的速率对数据进行采样。这使得大多数射频（RF）信号的直接数字化在许多无线应用中成为可能。至少，在较高的射频频率应用中，ADC能用于中频频率。这使得大部分的信号处理在接受机前端附近用软件定义
12、。另外，采用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Arrays，FPGA），能实现DSP的高速并行处理。目前商用FPGA的运算数度可高达2560亿次乘加/秒（Billion Multiply ACumulates per Second ，BMACS）。这样，随着数字技术的不断以指数级增长，智能天线集成化带来的优势就会继续繁荣下去3。1998年中国邮电电信科学技术研究学院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD-SCDMA建议和成为国际第三代移动通信标准之一的COMDA TDD技术，就是第一次提出以智能天线为核心技术CDMA通信系统，在国外获得了广泛的认可和支持，并已
13、制定了相关的标准。在学术界，国一些大学如清华大学、邮电大学、交通大学、电子科技大学、交通大学和电子科技大学的也展开了智能天线技术方面的研究工作。国家“八六三”、国家自然科学基金、博士点基金等也相应支持有关单位进行理论与技术平台的研究4。在电信领域的支出方面，2006年，美国计划投资已超过1370亿美元。全球的电信支出正在迅速逼近3万亿美元5。1.3 使用软件介绍在本文中对于天线的仿真时使用的FEKO5.5，在这里先对FEKO进行简单的介绍。FEKO软件是针对天线设计、电磁兼容性分析与天线布局而开发的专业电磁场分析软件，从严格地采用电磁场积分方程，以经典的矩量法为基础，使用了多层快速多级子算法在
14、保持精度的前提下大大提高了计算效率，与此同时将矩量法与经典的高频分析方法（物理光学，一致性绕射理论）进行结合，从而非常适合于分析天线设计、雷达散射截面（RCS）、开域辐射、电磁兼容等各类电磁场分析问题。5.0以后的Feko版本更是混合了有限元法，能更精确的处理生物体吸收率、多层电介质（如多层介质雷达罩）的问题。通常Feko处理问题的方法是：对于电小结构的天线等电磁场问题，FEKO采用完全的矩量法进行分析，保证了结果的高精度。对于具有电小与电大尺寸混合的结构，FEKO既可以采用高效的基于矩量法的多层快速多极子法，又可以将问题分解后选用合适的混合方法（如用矩量法、多层快速多级子分析电小结构部分，而
15、用高频方法分析电大结构部分），从而保证了高精度和高效率的完美结合，因此在处理电大尺寸问题如天线设计、RCS计算等方面，其速度和精度均无以伦比。采用以上的技术路线，Feko可以针对不同的具体问题选取不同的方法来进行快速精确的仿真分析，使得应用更加灵活，适用围更广泛，突破了单一数值计算方法只能局限于某一类电磁问题的限制。由于Feko基于严格的积分方程，因此它不需要建立吸收边界条件，没有数值色散误差，在计算电大尺寸问题时不会因尺寸增加而误差增大。而且，Feko支持工程中的各种激励、模式，可以构建任意结构、材料的模型，根据用户要求可以考虑多种不同层面的问题。除了计算核的高效率和强大的功能外，Feko还具有友好的用户界面、完善的前后处理功能以与良好的接口兼容性。Feko前处理的建模功能提供了各种规则几何体的直接创建，支持全参数化的几何尺寸输入，可以进行多种布尔操作和旋转、扭曲、螺旋、拉伸等操作。此外，几乎所有目前的主流CAD软件建立的模型都可以直接输入到Feko中进行计算，这一功能大大简化了复杂模型的构建难度。Feko友好的用户界面
