專(zhuān)利名稱：一種微帶陣列天線的互耦補(bǔ)償分析方法
一種微帶陣列天線的互耦補(bǔ)償分析方法陣列單元表面電流分布是分析陣列天線的重要參數(shù)，它決定了陣列輻射特性與散射特性。分析這種特性的方法很多，其中矩量法是最典型的一種。矩量法中最常用的基函數(shù)是脈沖基函數(shù)，與之相配的是點(diǎn)匹配，需要較多采樣點(diǎn)，使得計(jì)算量增加，同時(shí)它不能有效的表示一些矢量函數(shù)。RffG(Rao-Wilton-Glisson)邊元法將天線表面劃分為很多三角狀的小單元，三角狀的貼片能夠滿足任意形狀或邊界導(dǎo)體的求解，變化的導(dǎo)體表面電流密度可以在小三角貼片上方便直觀的表示出來(lái)。RWG邊元的作用域?yàn)槿切螀^(qū)域，相比一般矩量法的四邊形區(qū)域，更容易和形狀復(fù)雜的散射體共形。由于三角區(qū)域由獨(dú)特的基函數(shù)表示，在三角形邊界上沒(méi)有線電荷和點(diǎn)電荷存在，所以可以方便的表示任意表面上的矢量電流分布。RWG基函數(shù)由于采用了三角片對(duì)來(lái)定義，因此對(duì)于任意形狀的物體表面的網(wǎng)格劃分不僅變得十分容易而且精度高。RWG邊元法處理很多問(wèn)題都非常有效。它基于電場(chǎng)積分方程和矩量法求解天線的互耦問(wèn)題，對(duì)于任意的導(dǎo)體模型，電場(chǎng)積分方程對(duì)開(kāi)面和閉面導(dǎo)體都適用。比如，RWG基函數(shù)用來(lái)分析線天線，線天線的橫截面可以是任意形狀，既可以是圓形也可以是任意多邊形，既可以是實(shí)心也可以是空心。此外還可以方便地分析零厚度或具有一定厚度的平板線天線。
背景技術(shù)：
微帶陣列天線可應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)，作為手機(jī)甚至飛機(jī)機(jī)身的共形天線，從而解決鞭狀天線的功率低、不易于攜帶和電磁輻射效率低等問(wèn)題。近年來(lái)，人們?cè)谡箤捨зN片天線頻帶方面做了大量的研究，特別是針對(duì)陣列天線。主要目的是分析陣元間的耦合特性，找到補(bǔ)償耦合的方法，并檢驗(yàn)補(bǔ)償?shù)男Ч鞘冀K缺乏有效的手段和工具來(lái)分析其特性。通常在研究陣列天線時(shí)，都認(rèn)為各單元是理想工作，而且互不干擾。實(shí)際上，在陣列天線系統(tǒng)中，每一個(gè)天線單元都是開(kāi)放型電路，各單元之間通過(guò)電磁耦合作用相互影響， 特別是當(dāng)單元之間距離較小時(shí)，其耦合作用就更為嚴(yán)重。由于互耦效應(yīng)，當(dāng)陣列接收時(shí)，每個(gè)單元天線的接收信號(hào)不僅是對(duì)入射平面波的響應(yīng)，而且也包括對(duì)周?chē)鷨卧炀€引起散射場(chǎng)的響應(yīng)；在發(fā)射時(shí)，每個(gè)單元天線的表面電流也將包括饋源激勵(lì)和相鄰單元散射激勵(lì)兩部分。天線的互耦效應(yīng)直接影響到天線性能的電參數(shù)的改變，如電流分布發(fā)生變化，輸入阻抗和增益也就發(fā)生了變化，造成輻射方向圖失真，主波束方向發(fā)生偏移，旁瓣上升，使信噪比下降?？傊炀€的互耦效應(yīng)的存在，使天線達(dá)不到最佳設(shè)計(jì)效果。

發(fā)明內(nèi)容
本研究是以RWG為基礎(chǔ)的矩量法來(lái)研究考慮互耦的陣列天線方向圖特性，分析互耦對(duì)自適應(yīng)陣列的影響并進(jìn)行補(bǔ)償，改善由于耦合的影響而惡化了的輻射方向圖。為此，采用了以RWG為基函數(shù)的邊元法，它很好的適應(yīng)陣列電流為矢量的情況，并且該方法能夠有效的計(jì)算任意形狀陣列單元的電流分布。
互耦不但對(duì)天線陣的增益、波束寬度等電參數(shù)有一定的影響，而且會(huì)改變陣列接收信號(hào)的幅度和相位。以往在對(duì)輸入到自適應(yīng)處理器的信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化時(shí)，忽略了單元互耦對(duì)接收信號(hào)的影響，而只考慮各單元對(duì)其自身接收信號(hào)的變換作用，這樣做相當(dāng)于對(duì)與實(shí)際接收信號(hào)存在偏差的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，因此不能獲得所設(shè)計(jì)的最佳接收性能。采用 RWG邊元法來(lái)研究自適應(yīng)天線中的單元互耦效應(yīng)，可以改善接收性能。本發(fā)明對(duì)互耦的研究是采用RWG邊元法，計(jì)算考慮互耦情況下微帶陣列天線的參數(shù)和方向特性，基于等效網(wǎng)絡(luò)法分析考慮互耦的自適應(yīng)處理器的信號(hào)和加權(quán)到每個(gè)單元上的權(quán)值，從而使得自適應(yīng)天線能夠有效準(zhǔn)確的放大信號(hào)而抑制干擾。


圖.IRWG邊元法仿真的微帶陣列，A表面三角劃分，B表面電流分布圖.2陣列天線方向函數(shù)與互耦系數(shù)關(guān)系圖.3微帶陣列天線的互阻抗矩陣，A B
具體實(shí)施例方式陣列天線無(wú)互耦分析首先，對(duì)陣列天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，使用MATLAB函數(shù) delaimay對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行德絡(luò)內(nèi)三角化，將待研究金屬的表面被劃分為一系列三角，擁有公共邊的每對(duì)三角構(gòu)成相應(yīng)的RWG邊元。然后，采用偶極子模型法，即將包含兩個(gè)三角的RWG邊元的表面電流分布用具有等效偶極子矩量或強(qiáng)度的無(wú)窮小偶極子代替，針對(duì)其表面電流， 確定自由空間的電磁輻射特性?；贛atlab編程仿真得陣列貼片的表面電流如圖1A，在貼片表面電流示意圖中顏色越淺代表貼片的表面電流越大，大體可以看出在貼片處有較大的電流密度，如圖IB所示。由此可見(jiàn)，基于乘法原理分析無(wú)互耦仿真結(jié)果，RWG矩量法在保證精度的基礎(chǔ)上更加直觀。陣列天線互耦分析由于矩量法求解的微帶陣列天線的互阻抗矩陣考慮了相鄰輻射元間互耦的作用。權(quán)矢量計(jì)算校正互耦效應(yīng)的思想是校正陣列單元互耦的權(quán)矢量，從而優(yōu)化陣列的輸出方向特性。由于互耦的存在，影響了自適應(yīng)處理器的輸入信號(hào)，從而影響協(xié)方差矩陣，而協(xié)方差矩陣能夠反映信號(hào)環(huán)境、陣列結(jié)構(gòu)的重要性質(zhì)，并且決定全信號(hào)的頻域譜結(jié)構(gòu)和空域譜結(jié)構(gòu)，是優(yōu)化加權(quán)的惟一依據(jù)，因此其變化必將引起系統(tǒng)性能的相應(yīng)變化。 而自適應(yīng)天線的接收信號(hào)干擾噪聲比是衡量系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。陣列互耦補(bǔ)償方法首先，要對(duì)接收信號(hào)樣本進(jìn)行協(xié)方差統(tǒng)計(jì)計(jì)算；然后，基于一定的準(zhǔn)則進(jìn)行權(quán)矢量?jī)?yōu)化，而對(duì)信號(hào)樣本進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)是決定方向圖綜合算法優(yōu)劣的關(guān)鍵和基礎(chǔ)?；谧畲笮旁氡葴?zhǔn)則，應(yīng)用LMS算法，綜合方向圖的最優(yōu)化權(quán)矢量自適應(yīng)天線由于采用陣列天線作為接收裝置，主瓣在空間掃描的天線方向圖通常希望獲得低旁瓣電平，所以在考慮互耦時(shí)，就要求的方向圖設(shè)計(jì)考慮復(fù)加權(quán)矢量Wn(n = 1，…，N)與不考慮互耦的理想狀況下的加權(quán)矢量in(n= 1，…，N)，并計(jì)算耦合系數(shù)矩陣 C，如圖3，需要算出兩個(gè)NxN方陣的F和G，其中矩陣G元素gm( μ )是第m個(gè)陣元的有源方向圖，矩陣F元素f(y)是理想陣元的方向圖，如圖2所示。對(duì)于小型陣列設(shè)計(jì)的，計(jì)算量不大，常規(guī)計(jì)算機(jī)都能勝任。它可以適用于任意陣元間距和任意排列方式的天線陣。并且，對(duì)于給定的陣列，耦合系數(shù)是一個(gè)固定值，不隨掃描角變化而改變。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明的核心思想是以RWG為基礎(chǔ)的矩量法來(lái)研究考慮互耦的陣列天線方向圖特性，分析互耦對(duì)自適應(yīng)陣列的影響并進(jìn)行補(bǔ)償，改善由于耦合的影響而惡化了的輻射方向圖。為此，采用了以RWG 為基函數(shù)的邊元法，它很好的適應(yīng)陣列電流為矢量的情況，并且該方法能夠有效的計(jì)算任意形狀陣列單元的電流分布。對(duì)互耦補(bǔ)償?shù)难芯渴腔赗WG邊元法，計(jì)算考慮互耦情況下微帶陣列天線的參數(shù)和方向特性，基于等效網(wǎng)絡(luò)法分析考慮互耦的自適應(yīng)處理器的信號(hào)和加權(quán)到每個(gè)單元上的權(quán)值，從而使得自適應(yīng)天線能夠有效準(zhǔn)確的放大信號(hào)而抑制干擾。
全文摘要
一種微帶陣列天線的互耦補(bǔ)償分析方法是對(duì)陣列天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，使用MATLAB函數(shù)delaunay對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行德絡(luò)內(nèi)三角化，將待研究金屬的表面被劃分為一系列三角，擁有公共邊的每對(duì)三角構(gòu)成相應(yīng)的RWG邊元。然后，采用偶極子模型法，即將包含兩個(gè)三角的RWG邊元的表面電流分布用具有等效偶極子矩量或強(qiáng)度的無(wú)窮小偶極子代替，針對(duì)其表面電流，確定自由空間的電磁輻射特性。進(jìn)而采用矩量法求解的微帶陣列天線的互阻抗矩陣，考慮了相鄰輻射元間互耦的作用。因而在權(quán)矢量計(jì)算校正互耦效應(yīng)時(shí)校正陣列單元互耦的權(quán)矢量，從而優(yōu)化陣列的輸出方向特性。
文檔編號(hào)H01Q13/08GK102157796SQ20101010954
公開(kāi)日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2010年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者宗鵬, 張青 申請(qǐng)人:宗鵬, 張青