CN102157796A - 一种微带阵列天线的互耦补偿分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种微带阵列天线的互耦补偿分析方法是对阵列天线结构进行建模，使用MATLAB函数delaunay对结构进行德络内三角化，将待研究金属的表面被划分为一系列三角，拥有公共边的每对三角构成相应的RWG边元。然后，采用偶极子模型法，即将包含两个三角的RWG边元的表面电流分布用具有等效偶极子矩量或强度的无穷小偶极子代替，针对其表面电流，确定自由空间的电磁辐射特性。进而采用矩量法求解的微带阵列天线的互阻抗矩阵，考虑了相邻辐射元间互耦的作用。因而在权矢量计算校正互耦效应时校正阵列单元互耦的权矢量，从而优化阵列的输出方向特性。
Description
阵列单元表面电流分布是分析阵列天线的重要参数，它决定了阵列辐射特性与散射特性。分析这种特性的方法很多，其中矩量法是最典型的一种。矩量法中最常用的基函数是脉冲基函数，与之相配的是点匹配，需要较多采样点，使得计算量增加，同时它不能有效的表示一些矢量函数。
RWG(Rao-Wilton-Glisson)边元法将天线表面划分为很多三角状的小单元，三角状的贴片能够满足任意形状或边界导体的求解，变化的导体表面电流密度可以在小三角贴片上方便直观的表示出来。RWG边元的作用域为三角形区域，相比一般矩量法的四边形区域，更容易和形状复杂的散射体共形。由于三角区域由独特的基函数表示，在三角形边界上没有线电荷和点电荷存在，所以可以方便的表示任意表面上的矢量电流分布。RWG基函数由于采用了三角片对来定义，因此对于任意形状的物体表面的网格划分不仅变得十分容易而且精度高。
RWG边元法处理很多问题都非常有效。它基于电场积分方程和矩量法求解天线的互耦问题，对于任意的导体模型，电场积分方程对开面和闭面导体都适用。比如，RWG基函数用来分析线天线，线天线的横截面可以是任意形状，既可以是圆形也可以是任意多边形，既可以是实心也可以是空心。此外还可以方便地分析零厚度或具有一定厚度的平板线天线。
背景技术
微带阵列天线可应用于移动通信系统，作为手机甚至飞机机身的共形天线，从而解决鞭状天线的功率低、不易于携带和电磁辐射效率低等问题。近年来，人们在展宽微带贴片天线频带方面做了大量的研究，特别是针对阵列天线。主要目的是分析阵元间的耦合特性，找到补偿耦合的方法，并检验补偿的效果，但是始终缺乏有效的手段和工具来分析其特性。
通常在研究阵列天线时，都认为各单元是理想工作，而且互不干扰。实际上，在阵列天线系统中，每一个天线单元都是开放型电路，各单元之间通过电磁耦合作用相互影响，特别是当单元之间距离较小时，其耦合作用就更为严重。由于互耦效应，当阵列接收时，每个单元天线的接收信号不仅是对入射平面波的响应，而且也包括对周围单元天线引起散射场的响应；在发射时，每个单元天线的表面电流也将包括馈源激励和相邻单元散射激励两部分。天线的互耦效应直接影响到天线性能的电参数的改变，如电流分布发生变化，输入阻抗和增益也就发生了变化，造成辐射方向图失真，主波束方向发生偏移，旁瓣上升，使信噪比下降。总之，天线的互耦效应的存在，使天线达不到最佳设计效果。
发明内容
本研究是以RWG为基础的矩量法来研究考虑互耦的阵列天线方向图特性，分析互耦对自适应阵列的影响并进行补偿，改善由于耦合的影响而恶化了的辐射方向图。为此，采用了以RWG为基函数的边元法，它很好的适应阵列电流为矢量的情况，并且该方法能够有效的计算任意形状阵列单元的电流分布。
互耦不但对天线阵的增益、波束宽度等电参数有一定的影响，而且会改变阵列接收信号的幅度和相位。以往在对输入到自适应处理器的信号进行自适应优化时，忽略了单元互耦对接收信号的影响，而只考虑各单元对其自身接收信号的变换作用，这样做相当于对与实际接收信号存在偏差的信号进行加权，因此不能获得所设计的最佳接收性能。采用RWG边元法来研究自适应天线中的单元互耦效应，可以改善接收性能。
本发明对互耦的研究是采用RWG边元法，计算考虑互耦情况下微带阵列天线的参数和方向特性，基于等效网络法分析考虑互耦的自适应处理器的信号和加权到每个单元上的权值，从而使得自适应天线能够有效准确的放大信号而抑制干扰。
附图说明
图.1RWG边元法仿真的微带阵列，A表面三角划分，B表面电流分布
图.2阵列天线方向函数与互耦系数关系
图.3微带阵列天线的互阻抗矩阵，A B
具体实施方式：
阵列天线无互耦分析：首先，对阵列天线结构进行建模，使用MATLAB函数delaunay对结构进行德络内三角化，将待研究金属的表面被划分为一系列三角，拥有公共边的每对三角构成相应的RWG边元。然后，采用偶极子模型法，即将包含两个三角的RWG边元的表面电流分布用具有等效偶极子矩量或强度的无穷小偶极子代替，针对其表面电流，确定自由空间的电磁辐射特性。
基于Matlab编程仿真得阵列贴片的表面电流如图1A，在贴片表面电流示意图中颜色越浅代表贴片的表面电流越大，大体可以看出在贴片处有较大的电流密度，如图1B所示。由此可见，基于乘法原理分析无互耦仿真结果，RWG矩量法在保证精度的基础上更加直观。
阵列天线互耦分析：由于矩量法求解的微带阵列天线的互阻抗矩阵考虑了相邻辐射元间互耦的作用。权矢量计算校正互耦效应的思想是校正阵列单元互耦的权矢量，从而优化阵列的输出方向特性。由于互耦的存在，影响了自适应处理器的输入信号，从而影响协方差矩阵，而协方差矩阵能够反映信号环境、阵列结构的重要性质，并且决定全信号的频域谱结构和空域谱结构，是优化加权的惟一依据，因此其变化必将引起系统性能的相应变化。而自适应天线的接收信号干扰噪声比是衡量系统性能的重要参数。
阵列互耦补偿方法：首先，要对接收信号样本进行协方差统计计算；然后，基于一定的准则进行权矢量优化，而对信号样本进行准确估计是决定方向图综合算法优劣的关键和基础。基于最大信噪比准则，应用LMS算法，综合方向图的最优化权矢量
自适应天线由于采用阵列天线作为接收装置，主瓣在空间扫描的天线方向图通常希望获得低旁瓣电平，所以在考虑互耦时，就要求的方向图设计考虑复加权矢量wn(n＝1，…，N)与不考虑互耦的理想状况下的加权矢量in(n＝1，…，N)，并计算耦合系数矩阵C，如图3，需要算出两个NxN方阵的F和G，其中矩阵G元素gm(μ)是第m个阵元的有源方向图，矩阵F元素f(μ)是理想阵元的方向图，如图2所示。对于小型阵列设计的，计算量不大，常规计算机都能胜任。它可以适用于任意阵元间距和任意排列方式的天线阵。并且，对于给定的阵列，耦合系数是一个固定值，不随扫描角变化而改变。
，
Claims (1)
1.本发明的核心思想
是以RWG为基础的矩量法来研究考虑互耦的阵列天线方向图特性，分析互耦对自适应阵列的影响并进行补偿，改善由于耦合的影响而恶化了的辐射方向图。为此，采用了以RWG为基函数的边元法，它很好的适应阵列电流为矢量的情况，并且该方法能够有效的计算任意形状阵列单元的电流分布。
对互耦补偿的研究是基于RWG边元法，计算考虑互耦情况下微带阵列天线的参数和方向特性，基于等效网络法分析考虑互耦的自适应处理器的信号和加权到每个单元上的权值，从而使得自适应天线能够有效准确的放大信号而抑制干扰。
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