阵列天线宽波束综合

09届分类号:TN811单位代码：10452毕业论文（设计）阵列天线宽波束综合姓名孙冠峰学号200507230205年级2005专业电子信息工程系（院）物理系指导教师韩荣苍2009年05月15日2摘要天线阵列设计，其任务集中在考虑前述众多影响因素下，优化阵列口径激励，使其满足工程给定的副瓣要求及其他要求，也就是常说的方向图综合问题。阵列天线综合是指按规定的方向图要求，用一种或多种方法来进行天线系统的设计，使该系统产生的方向图与所要求的方向图良好逼近。它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，要求的方向图随应用的不同而多种变化。本文从傅立叶变换法、泰勒综合法、伍德沃德（Woodward）法三个方面对方向图设计进行了研究。以均匀线阵为主要研究对象，在理想的条件下，分别对傅立叶变换法、泰勒综合法、伍德沃德（Woodward）综合法三类算法进行了研究。关键词：阵列天线;天线综合;波束赋形AbstractInarraydesignphase,withthemandmandatefocusonthemanyfactorstoconsiderforegoing,thearraycalibreincentivetomeetprojecttobesidelobesrequirementsandotherrequirements,thatisoftensaidinthesynthesisofpattern.Thesynthesisofarraypatternisbyusingoneormoremethodsforantennasystemdesign,enablingthesystemtopproducethere-quiredpattern,thedirectionofgoodandjust.Itistheanalysisoftheanti-antennadesignthat,inagivenpatternofarray,theconditionsforthedesignofradiationssourcesdistributionforthepatternofthedifferentapplicationsandmultiplechanges.FromthisimportantpurposeFouriertransform、Talorsynthesis、Woodwardsynthesisforthefourareas,areas,thesynthesisofarraypatternisresearchedhere.Front-linelinearrayforthemainstudy,inidealconditions,respectively,conductedastudyoffouralgorithms.Keyword:Arrayantenna;Theanalysisoftheantenna;Beamforming3目录摘要.............................................................1Abstract........................................................1目录.............................................................21引言...........................................................1.1选题背景.....................................................1.2内容安排.....................................................2阵列天线的基本辐射特性.........................................2.1阵列天线的辐射特性和基本参数.................................2.1.1方向图.....................................................2.1.2方向系数...................................................2.2均匀线阵.....................................................2.2.1主波瓣.....................................................2.2.2零点位置...................................................2.2.3波瓣宽度...................................................2.2.4副瓣位置和电平.............................................3常用的天线综合法...............................................3.1傅里叶变换法.................................................3.1.1傅里叶变换法的原理.........................................3.1.2傅里叶变换法用于波束赋形...................................3.2伍德沃德（Woodward）综合法...................................3.2.1离散伍德沃德法的原理.......................................3.2.2离散线阵沃德沃德综合法用于波束赋形.........................4泰勒（Talor）综合法............................................4.1线源的等副瓣理想空间因子.....................................4.2泰勒方向图...................................................参考文献.........................................................谢辞.............................................................41引言1.1选题背景天线方向图综合问题就是确定天线的一些参数,使天线的某些辐射特性满足给定的要求,或者使阵列的辐射方向图尽可能地接近期望的方向图。阵列天线的性能取决于辐射元的形式、排列方式、位置以及辐射元上激励的幅度和相位。为了简化对阵列天线的讨论,设计中的所有辐射元都是全向性的点源。这样的阵列天线所产生的场强表达式称为阵因子。辐射元的数目、单元间距、激励幅度和相位是阵因子中的四个可变参量。所谓天线分析,就是指这四个参量在给定的情况下去确定天线的辐射特性,如波瓣图、方向性系数、增益和阻抗等。反之,若根据所需的波瓣图或给定的性能指标,然后用某一种方法去确定这四个参量,再根据这些参量构成阵列天线,看它们的性能指标是否符合或接近我们预先提出的性能指标,这种方法则称为天线综合。现在被公认且较有用的天线综合方法可分为以下四类：第一类综合问题,是根据己给出的对主瓣宽度和旁瓣电平的要求,或指定方向图的零点位置,来确定阵因子中四个变量中的某几个（例如,辐射元的数目、辐射元上的激励幅度）,而其余的参量作为非变量,对方向图的其它细节和方向性系数没有具体规定。常见的方法有Dolph-chebyshev综合法和Talor综合法。Dolph-chebyshev综合法是利用Talor多项式的性质,在给定的副瓣相对电平条件下能够得到最窄的主瓣宽度,或者在给定第一零点主瓣宽度条件下,获得最低副瓣相对电平,且是等副瓣的。Talor综合法是对Dolph-chebyshev多项式进行适当的修正,使其两大振幅区域合并为方向图主瓣,而副瓣则在由多项式控制的基础上再加一衰减函数形成。的Dolph-chebyshev综合法多用于离散阵的综合,Talor综合法则即可用于离散线阵,也可用于连续阵的综合问题。第二类综合问题是要求达到预先指定的方向图形状。综合过程主要是确定必要的单元数目、间距分布和激励,以便获得最好的可实现的阵因子。用综合的阵因子代替预期的方向图时带来的均方差或最大误差应当是最小的。传统的波束赋形方法有傅立叶变换法、Woodward-lawson法等。傅立叶变换法的原理是阵列单元的激励幅度与其产生的阵列函数构成一对傅立叶变换,对期望的方向图进行反傅立叶变换就可得到各单元的激励系数,该方法要求阵列函数阵因子满足周期性条件。因为理想的傅立叶变换需无限线源,而实际中不可能实现,文献[2]提出了用窗函数进行改进的方法,5加窗后的傅立叶变换性能有很大改善。Woodward-Lawson法是1948年由Woodward和lawson提出的,他们引入了一系列正交波束[14],每个波束的加权值等于所要求的方向图在对应采样点处的幅度。利用此方法可以对连续线源和离散线阵进行综合。文献[3]利用样本函数的性质对一法进行了改进,提出的W-S法用较少的单元就可以综合相同效果的方向图,或者在单元数目相同时,W-S法综合的方向图更接近样本函数,且天线的波瓣变窄,增益较高。傅立叶变换法综合的方向图与所要求的方向图之间的均方误差最小,Woodward-Lawson法综合出的方向图在抽样点上的值与所要求的方向图完全一致,而在抽样点之间对方向图没有任何控制,因而不会具有最小均方的方向图,得出的结果一般在主瓣区波纹系数较大,副瓣的高度也不能得到很好的控制。但是Woodward-Lawson法更加灵活,理论上可以综合任意所需要的方向图,包括实测结果,不论是模拟形式或数字形式的都可以。第三类综合问题是从己知的方向图出发,通过微变遥近指定的方向图指标,通常称为微扰法。文献[1]介绍的微扰法是从已知的方向图出发,逐步地改变辐射单元间距或和激励幅度,达到所需要的方向图指标。第四类综合问题是阵列天线参数的最优化设计。天线参数的最优化设计经常采用数值分析法。1.2本论文主要分为四个部分第一章为绪论,对天线的应用背景及本文的工作安排作了简要的概述。第二章介绍天线的主要参数和天线阵列的形式和原理,着重介绍了均匀直线阵的各种特性。第三章介绍了常用天线方向图综合方法，傅利叶变换法及WOODWARD阵列天线综合方法，介绍了WOODWARD法的原理及其在波束赋形中的应用。第四章介绍基于泰勒综合方法，介绍了泰勒综合法的原理及其在波束赋形中的应用。第二章天线阵的基本辐射特性在实际的天线系统中，为了完成特定的任务和提高工作性能有时需要特殊波束的天线，有时需要天线具有很强的方向性。采用天线阵容易实现各种要求。两个或两个以上的天线组成的天线系统称为天线阵或阵列。构成天线阵的个别天线叫辐射元，简称为单元。根据单元的排列形式天线阵可分为线阵、平面阵[4]和空间阵[5]。6线阵一般指的是直线阵列，即所有单元都排列在一条直线上。平面阵是指所有单元都排列在同一个平面上。2.1天线阵的辐射特性和主要参数天线阵的辐射特性决定于单元数目、分布形式、单元间距、激励幅度和相位，控制这五个因素可以改变辐射场特征自然也应考虑单元本身的特性对阵列总特性的影响。描述天线辐射特性随着空间方向坐标的变化关系图形叫做辐射方向图，它包括辐射功率、场强、相位和极化。通常讨论在远区半径为常数的大球面上，天线辐射的功率或场强随着位置方向坐标的变化规律，并称为功率方向图和场方向图，写成空间方向坐标的函数便叫做方向图函数。它们仅是方向的函数而与径向距离r无关[1