1、天线及智能天线仿真试验 第 9 章第 9 章天线及智能天线仿真试验9.1全向天线的波束下倾全向天线的波束下倾9.2天线阵的波达方向估计天线阵的波达方向估计9.3天线阵的波束形成天线阵的波束形成天线及智能天线仿真试验 第 9 章9.1 全向天线的波束下倾全向天线的波束下倾9.1.1 全向天线的波束下倾的基本原理全向天线的波束下倾的基本原理广播用的发射机天线建在天线塔上,希望能覆盖广大的地域。在覆盖区的边沿,由于距离远,地球表面弯曲,电磁波场强衰减很快,因此为了有效地覆盖既定的区域,保证区域内场强不低于特定的值,通常采用波束下倾的方法。将轴向排列的半波振子天线,通过调节天线的轴向间距、馈电的相位,
2、使得轴向天线阵列的方向图实现波束下倾。天线及智能天线仿真试验 第 9 章图9-1 所示是轴向排列的半波振子天线的结构图。阵元之间的距离是d,垂直轴线与电磁波辐射方向的夹角是,相邻阵元馈入信号的相位差是,相邻阵元发出的电磁波到达同一地点的程差是d cos。相邻阵元发出的电磁波到达同一地点的相位差为f。参看公式(9-1)。jj2j(1)0(1 eee)cos2nEEdffff(9-1)天线及智能天线仿真试验 第 9 章图9-1 轴向排列的半波振子天线阵元间的相位差天线及智能天线仿真试验 第 9 章9.1.2 仿真实现仿真实现根据以上讨论,编写出绘制轴向排列天线阵列的方向图的程序。程序9-1%均匀轴
3、向排列(8阵元)线状天线阵lam=1;%波长t=0:.01:2*pi;d=.6;%阵元间距a1=1;%阵元馈入信号的相位差即ps=(d*2*pi*cos(t)/lam)a1;%阵元发出的电磁波到达同一地点的相位差天线及智能天线仿真试验 第 9 章f=abs(1+(exp(j*(ps)+(exp(j*2*(ps)+(exp(j*3*(ps)+(exp(j*4*(ps)+(exp(j*5*(ps)+(exp(j*6*(ps)+(exp(j*7*(ps);%8阵元信号的叠加,然后取绝对值T=t+pi/2;polar(T,f)%绘极坐标图程序运行后得出的方向图如图9-2所示。天线及智能天线仿真试验 第
4、 9 章图9-2 轴向阵列波束下倾的仿真图天线及智能天线仿真试验 第 9 章讨论:改变阵元之间的间距d、阵元数n、各阵元馈电的相位a1(即相邻阵元馈入信号的相位差,MATLAB程序中不接受希腊字母)都可以改变波束下倾的形状。实践中可以根据需要来决定。天线及智能天线仿真试验 第 9 章9.2 天线阵的波达方向估计天线阵的波达方向估计天线阵列信号处理作为信号处理的一个重要分支,在通信、雷达、地震勘探、射电天文等领域获得了广泛应用和迅速发展。它包括 2:信源定位确定阵列到信源的仰角和方位角,甚至距离(若信源位于近场)。信源分离确定各个信源发射的信号波形。各个信源从不同方向到达阵列,即使它们在时域和频
5、域是叠加的。天线及智能天线仿真试验 第 9 章信道估计确定信源与阵列之间的传输信道的参数(多径参数)。阵列信号处理是改善蜂窝和个人通信服务系统质量、覆盖范围和容量的一种强有力的工具。建立在波达方向估计、波束形成基础上的智能天线的应用,抑制了干扰信号,改善了接收信号的信噪比,降低了数字通信的误码率。将接收天线阵列用于公众网的反向连接(客户到基站)时,多个接收天线能够收集更多的信号能量。若天线在空间足够分离或极化各异,则多个天线能够提供很好的分集接收,并抑制多径传输引起的衰落。这些好处可以扩大基站的覆盖范围,改善通信质量。天线及智能天线仿真试验 第 9 章9.2.1 原理原理全向天线不仅利用率不高
6、,而且对各种信号不加区别地接收,因此降低了通信质量。定点无线通信采用定向天线,大幅度地改善了通信质量。面对众多移动用户的公众通信网基站和专用移动通信网,采用天线指向即波束可变的天线(智能天线),可以使移动通信的通信质量得到很大的改善。天线及智能天线仿真试验 第 9 章为了使天线的波束指向可控,甚至形状可控,采用阵列天线是合适的。在距离通信源足够远的空间里,可以将到达的电磁波视为平面波。对于等距离直线阵天线,由于调制在载波上的基带信号码元宽度与波速的乘积远大于天线阵列的尺寸,因此多个天线阵元上的信号的幅度可视为不变,而它们的载波的相位差则取决于它们的相互位置、尺寸、波长和到达方向。天线及智能天线仿真试验 第 9 章图9-3所示是智能天线的原理框图。天线接收的无线电信号中有许多成分,其中有我们关心的S信号。天线阵列的各个阵元接收的电磁波信号因为阵元排列位置的不同带来相位差。经过特定参数的加权控制器w处理后,进一步改变了各个阵元输出信号的相位和幅度。处理的目标是使得阵元输出的信号和Y当中的S成分具有最大输出。用S信号作为基准信号,反馈控制单元的功能就是将输出信号Y与基准信号S的差值(即误差信