專利名稱：一種微帶陣列天線的互耦補償分析方法
一種微帶陣列天線的互耦補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)，與之相配的是點匹配，需要較多采樣點，使得計算量增加，同時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體的求解，變化的導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。RWG邊元的作用域為三角形區(qū)域，相比一般矩量法的四邊形區(qū)域，更容易和形狀復雜的散射體共形。由于三角區(qū)域由獨特的基函數(shù)表示，在三角形邊界上沒有線電荷和點電荷存在，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來定義，因此對于任意形狀的物體表面的網格劃分不僅變得十分容易而且精度高。RWG邊元法處理很多問題都非常有效。它基于電場積分方程和矩量法求解天線的互耦問題，對于任意的導體模型，電場積分方程對開面和閉面導體都適用。比如，RWG基函數(shù)用來分析線天線，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：
微帶陣列天線可應用于移動通信系統(tǒng)，作為手機甚至飛機機身的共形天線，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題。近年來，人們在展寬微帶貼片天線頻帶方面做了大量的研究，特別是針對陣列天線。主要目的是分析陣元間的耦合特性，找到補償耦合的方法，并檢驗補償?shù)男Ч?，但是始終缺乏有效的手段和工具來分析其特性。通常在研究陣列天線時，都認為各單元是理想工作，而且互不干擾。實際上，在陣列天線系統(tǒng)中，每一個天線單元都是開放型電路，各單元之間通過電磁耦合作用相互影響， 特別是當單元之間距離較小時，其耦合作用就更為嚴重。由于互耦效應，當陣列接收時，每個單元天線的接收信號不僅是對入射平面波的響應，而且也包括對周圍單元天線引起散射場的響應；在發(fā)射時，每個單元天線的表面電流也將包括饋源激勵和相鄰單元散射激勵兩部分。天線的互耦效應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。總之，天線的互耦效應的存在，使天線達不到最佳設計效果。
發(fā)明內容
本研究是以RWG為基礎的矩量法來研究考慮互耦的陣列天線方向圖特性，分析互耦對自適應陣列的影響并進行補償，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，它很好的適應陣列電流為矢量的情況，并且該方法能夠有效的計算任意形狀陣列單元的電流分布。
互耦不但對天線陣的增益、波束寬度等電參數(shù)有一定的影響，而且會改變陣列接收信號的幅度和相位。以往在對輸入到自適應處理器的信號進行自適應優(yōu)化時，忽略了單元互耦對接收信號的影響，而只考慮各單元對其自身接收信號的變換作用，這樣做相當于對與實際接收信號存在偏差的信號進行加權，因此不能獲得所設計的最佳接收性能。采用 RWG邊元法來研究自適應天線中的單元互耦效應，可以改善接收性能。本發(fā)明對互耦的研究是采用RWG邊元法，計算考慮互耦情況下微帶陣列天線的參數(shù)和方向特性，基于等效網絡法分析考慮互耦的自適應處理器的信號和加權到每個單元上的權值，從而使得自適應天線能夠有效準確的放大信號而抑制干擾。
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)關系圖.3微帶陣列天線的互阻抗矩陣，A B
具體實施例方式陣列天線無互耦分析首先，對陣列天線結構進行建模，使用MATLAB函數(shù) delaimay對結構進行德絡內三角化，將待研究金屬的表面被劃分為一系列三角，擁有公共邊的每對三角構成相應的RWG邊元。然后，采用偶極子模型法，即將包含兩個三角的RWG邊元的表面電流分布用具有等效偶極子矩量或強度的無窮小偶極子代替，針對其表面電流， 確定自由空間的電磁輻射特性。基于Matlab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，基于乘法原理分析無互耦仿真結果，RWG矩量法在保證精度的基礎上更加直觀。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。權矢量計算校正互耦效應的思想是校正陣列單元互耦的權矢量，從而優(yōu)化陣列的輸出方向特性。由于互耦的存在，影響了自適應處理器的輸入信號，從而影響協(xié)方差矩陣，而協(xié)方差矩陣能夠反映信號環(huán)境、陣列結構的重要性質，并且決定全信號的頻域譜結構和空域譜結構，是優(yōu)化加權的惟一依據，因此其變化必將引起系統(tǒng)性能的相應變化。 而自適應天線的接收信號干擾噪聲比是衡量系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。陣列互耦補償方法首先，要對接收信號樣本進行協(xié)方差統(tǒng)計計算；然后，基于一定的準則進行權矢量優(yōu)化，而對信號樣本進行準確估計是決定方向圖綜合算法優(yōu)劣的關鍵和基礎。基于最大信噪比準則，應用LMS算法，綜合方向圖的最優(yōu)化權矢量自適應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，就要求的方向圖設計考慮復加權矢量Wn(n = 1，…，N)與不考慮互耦的理想狀況下的加權矢量in(n= 1，…，N)，并計算耦合系數(shù)矩陣 C，如圖3，需要算出兩個NxN方陣的F和G，其中矩陣G元素gm( μ )是第m個陣元的有源方向圖，矩陣F元素f(y)是理想陣元的方向圖，如圖2所示。對于小型陣列設計的，計算量不大，常規(guī)計算機都能勝任。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，對于給定的陣列，耦合系數(shù)是一個固定值，不隨掃描角變化而改變。
權利要求
1.本發(fā)明的核心思想是以RWG為基礎的矩量法來研究考慮互耦的陣列天線方向圖特性，分析互耦對自適應陣列的影響并進行補償，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，它很好的適應陣列電流為矢量的情況，并且該方法能夠有效的計算任意形狀陣列單元的電流分布。對互耦補償?shù)难芯渴腔赗WG邊元法，計算考慮互耦情況下微帶陣列天線的參數(shù)和方向特性，基于等效網絡法分析考慮互耦的自適應處理器的信號和加權到每個單元上的權值，從而使得自適應天線能夠有效準確的放大信號而抑制干擾。
全文摘要
一種微帶陣列天線的互耦補償分析方法是對陣列天線結構進行建模，使用MATLAB函數(shù)delaunay對結構進行德絡內三角化，將待研究金屬的表面被劃分為一系列三角，擁有公共邊的每對三角構成相應的RWG邊元。然后，采用偶極子模型法，即將包含兩個三角的RWG邊元的表面電流分布用具有等效偶極子矩量或強度的無窮小偶極子代替，針對其表面電流，確定自由空間的電磁輻射特性。進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。因而在權矢量計算校正互耦效應時校正陣列單元互耦的權矢量，從而優(yōu)化陣列的輸出方向特性。
文檔編號H01Q13/08GK102157796SQ20101010954
公開日2011年8月17日 申請日期2010年2月12日 優(yōu)先權日2010年2月12日
發(fā)明者宗鵬, 張青 申請人:宗鵬, 張青