相控阵天线方向推导及仿真
1、推导线阵天线方向图公式
一个接收线阵，由等间距为d 的N 个各向同性单元组成，那么在θ方向，相
邻单元接收信号的相位差为Ф=2πd
λsinθ，线阵排列情况如图1所示。
图1 线阵排列示意图
因为天线辐射方向图可以由天线上各种各样电流源辐射的单独贡献进行矢
量叠加而得出，故各单元电压和为：
E a =sin (ωt )+sin (ωt +?)+sin (ωt +2?)+?+sin?[ωt +(N ?1)?]
将等式两边同时乘以2sin?(?
2)，根据积化和差、和差化积等相关数学公式，可得到如下公式：
2sin (?2)E a =cos (ωt ??2)?cos (ωt +?2)+cos (ωt +?2)?cos (ωt ?32
?)
+?+cos (ωt +2N ?32?)?cos?(ωt +2N ?1
2?)
整理得，2sin (?
2)E a =cos (ωt ??
2)?cos (ωt +
2N?12
?)
??=2sin?(ωt +
N ?12?)sin?(N
2
?) 最终得到场强方向图，E a =sin?[ωt +(N ?1)?2?]sin?(N?2?)
sin?(?2?)
平方归一化后，得到辐射方向图（阵列因子）：
|G a (θ)|=sin 2[Nπ(d
λ)sinθ]
N 2sin 2[π(d
λ
)sinθ]
上式中，当(d
λ)sinθ=0,±1,±2,···±n 时|G a (θ)|取得相等的最大值，但是我们
只期望看到(d
λ)sinθ=0的情况，取其他值产生的栅瓣是我们所不想见到的，为避免这种情况，特令d <λ。
前面的公式中认定主瓣指向为0°，当主瓣指向θ0方向时，则各向同性单元
线阵的归一化辐射方向图为：
G (θ)=sin 2[Nπ(d
λ)(sinθ?sinθ0)]
N 2sin 2[π(d λ
)(sinθ?sinθ0)]
此时，由于?2≤sin (θ)?sin (θ0)≤2，故防止产生栅瓣的条件为d <λ2?。
当来波方向与主瓣指向相近时sinθ?sinθ0很小，有：
sin 2[π(d λ)(sinθ?sinθ0)]≈[π(d
λ
)(sinθ?sinθ0)]2
这时的辐射方向图是sin 2μμ2?的形式，式中μ=(d
λ)(sinθ?sinθ0)，当μ=±0.443π时，天线方向图被衰减到最大值的一半，又因为sinθ?sinθ0项可以写成
sinθ?sinθ0=sin (θ?θ0)cos (θ0)?[1?cos (θ?θ0)]sin (θ?θ0)
当θ0很小时，方程右边第二项可以忽略，所以sinθ?sinθ0≈sin (θ?
θ0)cos (θ0)。最终我们可以得到天线的半功率波束宽度为θB ≈0.886λ
Ndcosθ0
（rad ）。
2、电子扫描阵列天线方向图仿真
·1、不同参数情况下的栅瓣现象及分析
由前面的分析可知，归一化后的天线方向图可以表示为：
G a (θ)=
sin 2(Nπd
λ
(sin θ?sin θ0))
N 2sin 2(πd
λ
(sin θ?sin θ0))
其中d 表示天线长度， N 表示天线阵元个数，λ表示信号波长。
当πd
λ(sin θ?sin θ0)=0,±1,±2,?,±n,???n ≥1,n ∈Z 时，G a (θ)的分子、分母均为0，由洛毕达法则可知，当sin θ?sin θ0=±n λ
d 时，G a (θ)取最大值1，其中sin θ?sin θ0=0，即θ=θ0时，是主瓣，sin θ?sin θ0=±n λ
d 的解对应的是
栅瓣。
所以为了防止栅瓣的出现，必须要求波长和天线长度满足：
d λ max sinθ?sinθ0 当d≥d max时，会出现栅瓣，假设栅瓣对应的角度为θg，则 sinθg?sinθ0=±n λd 即 θg=arcsin(sinθ0±n λd ) θg的具体求法参见“arcsin.m” 为了对不同参数情况下的栅瓣现象进行分析，本实验主要包括： ·1 固定θ0，λ，改变d，观察并记录栅瓣出现的位置，并对试验结果做出分析。·2 固定d，λ，改变θ0，观察并记录栅瓣出现的位置，并对试验结果做出分析。·3 固定θ0，d，改变λ，观察并记录栅瓣出现的位置，并对试验结果做出分析。·4 仿真并解释频率色散与扫描限制。 1.假设θ0=0,λ=0.5，则d max=0.5，下图给出了d取不同值时的情况： 由上图可以看出，在θ0=0,λ=0.5,d max=0.5的条件下，当d 假设θ0=30。,λ=0.5，则d max=0.33333，下图给出了d取不同值时的情况： 由上图可以看出，在θ0=30。,λ=0.5,d max=0.33的条件下，当d 2.假设d=0.5,λ=0.5，下图给出了θ0取不同值时的情况： 由上图可以看出，在d=0.5,λ=0.5的条件下，当θ0取不同值时，d max=0.33会发生变化，进而会影响栅瓣的数量和位置。栅瓣会随着θ0的变大而出现。3.假设d=0.5,θ0=30°，下图给出了λ取不同值时的情况： 由上图可以看出，在d=0.5,θ0=30°的条件下，当λ取不同值时，d max= 0.33会发生变化，进而会影响栅瓣的数量和位置。栅瓣会随着λ的变大而消失。下表列出了在λ=0.5的条件下，不同θ0和d对应的主瓣、栅瓣角度： 由以上仿真可以知道，只有天线孔径d 1，2，3代码参考“AntennaPattern.m” 4.阵列天线能够工作的基础是：由于扫描方向而引入的时间误差能够被相位误差代替（窄带假设）。之所以有上面的替代是因为电路中实现精确可变的时间延迟要比相位延迟难得多，通常电路中是通过移相器产生相位延迟，进而对接收信号进行相位补偿。相位器与来波频率无关，即对所有频率的来波信号都会产生相同的相位延迟φ，由 φ=2πd λ sinθ0 可知，如果希望天线扫描θ1，按照λ1设计时，有 φ1=2πd λ1 sinθ1 按照λ2设计时，有 φ2=2πd λ1 sinθ1’= 2πd λ2 sinθ1 而雷达总会有一定带宽，经过同一个移相器后，最高频f1和最低频f2就会产生一个误差θ1?θ1’。 下面分别分析θ0和?λ的影响。 4.1 固定?λ，d，分析θ0的影响： 由上图可以看出，随着θ0的增大，误差在不断变大。 4.2 固定θ0，d，分析?λ的影响： 由上图可以看出，随着?λ的增大，误差在不断变大。 4 代码参考“AntennaPattern2.m” ·2、主瓣宽度和功率增益随扫描角变化情况。 根据前面得理论分析，天线的半功率波束宽度为： 0.886cos B Nd λ θθ≈ 其中，N 为天线阵元个数，d 为单元间距，0θ为扫描角度。 当0θ很大时，这个表达式是无效的，并且阵列的性能会变得很差，而且随着 波束从侧射开始扫描，互藕影响也会相应增加，因此，我们在这儿讨论的时候，扫描角度被限制在60±。 在没有栅瓣的情况下（/2d λ=?）进行仿真并改变0θ的值， 得到主瓣宽度和 功率增益随扫描角度变化的曲线，实验结果如下图： 从图中可以看出，实际仿真结果与理论分析结果一致，随着扫描角的增大， 主瓣宽度会相应的增大，相应的后果是天线增益会随扫描角度的增大而减小。 代码参考“Effect.m ” 10 20 30 40 50 60 25303540 45天线方向图主瓣宽度随扫描角度的变化 扫描角度/° 主瓣宽度/° 10 20 30 40 50 60 -16-15-14-13 -12 天线增益随扫描角度的变化 扫描角度/° 天线增益(d B ) 相控阵天线的平台布局仿真设计Simulation and Design of the phased array antenna placement 王真刘志惠 (南京电子技术研究所南京210039) 摘要: 随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。相控阵天线与平台的一体化仿真也越来越借助FEKO等高频电磁仿真软件，本文从具体实例出发，论述了利用FEKO软件对相控阵天线的平台布局进行仿真优化设计。 关键词: 相控阵天线平台布局FEKO Abstract:Along with the development of the phased array antenna technology, phased array antenna design engineers in addition to their own performance of detailed design, also pay more attention to the platform layout of the phased array antenna, because it determines the performance characteristics which the phased array antenna can realize, not the theoretical performance of laboratory. The platform layout simulation of phased array antenna is becoming more and more with the help of a high frequency electromagnetic simulation software FEKO, etc, starting from the concrete examples, this paper discusses the platform layout of phased array antenna simulation optimization design by using FEKO. Key words:phased array antenna，platform layout，FEKO 1 概述 随着相控阵天线技术的发展，天线设计工程师除了进行相控阵天线自身性能的详细设计以外，还更多地关注相控阵天线在载体平台上的布局设计，因为这样的载体平台布局设计才决定了相控阵天线最终可实现的性能特性，而非实验室的理论性能。 相控阵天线按照载体的不同可以分为地基固定、车载、机载、星载等不同类型，每一种类型的相控阵天线都会遇到需要连带载体一起进行的平台布局设计。而这样的平台布局设计所依赖的仿真软件一定要具备足够强大的仿真运算能力，可以进行平台级别的电磁仿真能力。相控阵天线按照工作体制可以分为无源相控阵天线和有源相控阵天线，其中有源相控阵 Received February6,2020,accepted March4,2020,date of publication March13,2020,date of current version March25,2020. Digital Object Identifier10.1109/ACCESS.2020.2980595 Research on Structurally Integrated Phased Array for Wireless Communications QING-QIANG HE1,SHUAI DING2,CHEN XING1,JUN-QUAN CHEN1,GUO-QING YANG1,AND BING-ZHONG WANG2,(Senior Member,IEEE) 1Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu610036,China 2Institute of Applied Physics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China Corresponding authors:Qing-Qiang He(heqingqiang518@https://www.doczj.com/doc/919711292.html,)and Shuai Ding(uestcding@https://www.doczj.com/doc/919711292.html,) This work was supported in part by the National Natural Science Foundation of China under Grant61601087,in part by the Fundamental Research Funds for the Central Universities under Grant ZYGX2019Z016,and in part by the Sichuan Science and Technology Program under Grant2018GZ0518and Grant2019YFG0510. ABSTRACT Structurally integrated antenna is a kind of highly integrated microwave device with a load-bearing function,and it is usually installed on the structural surface of the air,water and ground vehicles.This paper presents the design,fabrication and testing of a novel structurally integrated Ka-band active antenna for airborne5G wireless communications.The proposed antenna is mainly composed of three parts:a package layer,a control and signal process layer and a RF layer.In the RF layer,the microstrip antenna array,tile transmitting(Tx)modules,micro-channel heat sinks and a stripline feeding network are highly integrated into a functional block with a thickness of2.8mm.Electromechanical co-design methods are developed to design the active antenna array with the superstrates,and two schemes for designing micro-channel heat sinks are evaluated to obtain a uniform temperature distribution.The RF layer is fabricated by using the low-temperature co?red ceramic process,and the three layers are assembled to form the full-size antenna prototype.The mechanical and electromagnetic experiments are carried out,and the results demonstrate the feasibility of the structurally integrated active antenna for airborne wireless communications. INDEX TERMS5G communications,phased array antenna,structurally integrated active antenna,low-temperature co?red ceramic(LTCC),micro-channel heat sinks. I.INTRODUCTION Signi?cant momentum has started to build around the5G wireless communication technologies for delivering mobile experience differentiation by providing higher data rates, lower latency,and improved link robustness[1],[2].In this regard,millimeter-wave phased array antenna is a very promising solution for5G wireless communications,due to the wide bandwidths and steerable beams.The millimeter-wave phased array antenna can be applied to realize the wireless connection between the base stations and wireless terminals in a mobile vehicle such as the aircraft,high-speed train,car,and ship.Moreover,it can be continuously steered to the base stations,which could guarantee reliable connec-tions in these mobile environments[3]–[5].In addition,the multi-gigabits-per-second data speeds in5G will provide new wireless communication applications such as uncompressed video streaming,mobile distributed computing,fast large?le The associate editor coordinating the review of this manuscript and approving it for publication was Yasar Amin.transfer,and of?ce in a high-speed mobile environment[6]. However,because of the limited space in a mobile vehicle like the aircraft,the phased array antenna is usually required to have a compact size,light weight and easy installation[7]. In this condition,it is highly desirable to use structurally integrated active antennas for5G wireless communications in a mobile vehicle. Structurally integrated active antennas can embed an active planar printed antenna into the structural surface of the aircraft,high-speed train,car,ship,and armored vehi-cles[8]–[11].For example,the active microstrip antenna array is integrated into the wing or fuselage of an aircraft. Compared with the antennas mounted on the structural sur-face,structurally integrated active antenna features several advantages such as reduced weight,volume and aerodynamic drag.Structurally integrated active antenna is a kind of highly integrated antenna,which receives great attention in recent years.Antenna-on-chip(AoC)and antenna-in package(AiP) solutions are two commonly used techniques to realize the highly integrated antennas[12]–[14].Compared to AiP,AoC VOLUME8,2020 This work is licensed under a Creative Commons Attribution4.0License.For more information,see https://https://www.doczj.com/doc/919711292.html,/licenses/by/4.0/52359 实验报告 学生：学号：指导教师： 实验地点：实验时间： 一、实验室名称： 二、实验项目名称：微波工程CAD实验 三、实验学时：20 四、实验原理： CST仿真软件是基于有限积分法，将整个计算区域离散化并进行数值计算，模拟各种实际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线，最后可根据实际要求对所得结果进行优化，得出最优化下的器件尺寸参数。 本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟，以此来掌握CST的应用。 五、实验目的： 了解并掌握CST仿真软件的基本操作，学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设计。 六、实验容： 第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频率围，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。 第二题微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率围优化下图微带到波导的转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，介质上的空气尺寸3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸7.112*3.556*10mm；L 是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化变量可取下图给的初值。 七、实验器材（设备、元器件）： 台式计算机；CST Design Environment 2009仿真软件；U盘（学生自备）。 八、实验步骤： 第一题：偶极子相控阵天线的仿真 a.单个偶极子天线模型 单个偶极子天线方向图 有源相控阵天线G/T值测量及误差分析 任冀南秦顺友陈辉吴伟伟 (中国电子科技集团公司第54研究所，河北石家庄050081 ) 摘要：简述了地面站天线系统G/T值测量的传统方法。论述了室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的原理方法，推导出测量的原理方程。分析了G/T值测量误差，其均方根误差小于或等于±0.422dB。最后给出了S波段19元阵天线系统G/T测量结果，实测结果与预算结果吻合很好。 关键词：有源相控阵天线；G/T测量；误差分析 G/T Measurement and Error Analysis for Active Phased Array Antenna REN Ji-nan, QIN Shun-you, CHEN Hui, WU Wei-wei (The Fifty Fourth Institute of CETC, Shijiazhuang Hebei 050081, China ) Abstract: In this paper, traditional measurement methods are described simply for earth station system G/T value. Measuring principle and procedure of active phased array antenna G/T value are discussed using outdoor direct far-field method, and measuring principle equation is derived. Error of G/T value measurement is analyzed, and results show that RMS error of G/T value measurement is less than or equal to ±0.422dB. Measuring result of S-band 19-unit array antenna G/T value is given, test result agrees with prediction result. Key words：active phased array antenna; G/T measurement; error analysis 引言 G/T是地面站系统的重要性能参数之一，其性能好坏直接影响系统的灵敏度。目前G/T值传统的测量方法有间接法和直接法[1][2][3]。所谓间接法就是分别测量出天线接收增益和系统噪声温度，从而计算系统G/T值的方法；直接法又可细分为卫星载噪比法和射电源法。卫星载噪比法就是直接测量地面站天线接收卫星信号的载噪比，从而确定G/T值的方法，该方法非常适合卫星通信地面站天线系统G/T测量；射电源法就是测量地面站天线指向射电星和冷空时的Y因子，从而计算G/T值的方法。由于射电源的信号很微弱，对于小型地面站，其系统G/T很小，则很难观测到射电源的信号[4]。 对于有源相控阵天线，因其射频单元与天线单元集成在一起，其天线测试方法不同于常规的无源天线测量[5][6]。对于有源相控阵天线系统G/T 值测量，无法采用间接法测量系统G/T值；另外如果天线工作频段与卫星频段不符，且系统G/T 值较小，则采用卫星载噪比或射电源法测量其G/T值具有局限性。为此我们提出了在室外远场直接法测量有源相控阵天线G/T值的方法。实践证明：该方法是切实可行的，在G/T值测量中值得推广和应用。 1 测量原理和方法 图1所示为室外远场法测量有源相控阵天线G/T值原理方框图。 图1 室外远场法测量相控阵天线G/T值原理方框图图1中，R为测试距离，R应满足远场测试距离条件，即R≥2D2/λ（D为待测天线最大尺寸，λ为工作波长）。由功率传输方程可得：频谱分析仪测量的载波功率C为[7]： RF P net S t L L GG G P C （1) 式中： 相控阵天线 标准天线 R 第二章相控阵天线的基础理论 相控阵天线是从阵列天线发展起来的，主要依靠相位变化实现天线波束指向在空间的移动或扫描，亦称电子扫描阵列(ESA)天线。虽然用于相控阵雷达的相控阵天线有多种，但相控阵天线均是由多个天线单元，亦称辐射器构成的。天线单元可以是单个的波导喇叭天线、偶极子天线、贴片天线等。在每个天线单元后端都设置有移相器，用来改变单元之间信号的相位关系，信号的幅度变化则通过功率分配/相加网络或者衰减器来实现。在扫描过程中，整个雷达不需要像采用普通阵列天线或者剖物面天线的雷达那样进行机械运动，因此波束指向迅速灵活，且可以实现多波束并行工作，使得雷达具有很强的自适应能力。 在相控阵天线的实际使用过程中，线性相控阵天线平面相控阵天线是较为常见的两种形式。下面分别以这两种形式为例，阐述相控阵天线扫描的基本原理。 2.1相控阵天线扫描的基本原理 2.1.1线性相控阵天线扫描的基本原理 线性相控阵天线广泛应用于一维相控扫描的相控阵雷达中。根据基本的阵列类型，线 性相控阵天线可以划分为垂射阵列和端射阵列。垂射阵列最大辐射方向垂直于阵列轴向，天线波束在线阵法线方向左右两侧进行扫描。相反，端射阵列主瓣方向沿着阵列轴向。由于垂射阵应用最为广泛，因此主要讨论垂射阵。 图2.1是一个由N个天线单元组成的线性阵列原理图，天线单元呈均匀排成一线，途中沿y轴方向按等间距方式分布，天线单元间距为d。每一个天线单元的激励电流为 I i(i =0,1,2,...N -1)。每一单元辐射的电场强度与其激励电流I i成正比。天线单元的方向 图函数用fiG,：)表示。 图2.1 N单元线性相控天线阵原理图 阵中第i个天线单元在远区产生的电场强度为： e丸E i =K i I i fip, ) (2.1) 式中，K i为第i个天线单元辐射场强的比例常数，r i为第i个天线单元至观察点的距离， f i P,)为第i个天线单元的方向图函数，h为第i个天线单元的激励电流，可以表示成为: (2.2) 式中，3i为幅度加权系数，厶B为等间距线阵中，相邻单元之间的馈电相位差，亦称阵内相移值。 在线性传播媒质中，电磁场方程是线性方程，满足叠加定理的条件。因此，在远区观察点P处的总场强E可以认为是线阵中N个辐射单元在P处辐射场强之和，因此有： 1、仿真方向图基于如下定义天线与坐标的关系：天线安装在球坐标的原点上，天线法向（与安装平面垂直）或轴向为z轴，指向天顶，如下图所示。Theta（θ）面方向图：指phi取恒定值的平面；theta从0到360°，其中0～180°对应球坐标中x>0的0～180°，180～360 对应球坐标中x<0的180～0°，方向图均为功率方向图。对于喇叭、微带天线等定向辐射天线而言，通常所说的E、H面是theta面的两个特例。Phi（φ）面方向图（水平面）：指Theta 取恒定值的锥面，phi从0到360°。E-theata分量（垂直面）：Theta＝0°附近对应为水平极化分量的一部分（垂直极化振子天线的零点区域，即垂直振子无水平极化分量，常规微带天线水平极化分量大）；Theta＝90°附近时，对应垂直极化分量（垂直极化振子天线的最大辐射区域，即垂直振子为垂直极化天线，常规微带天线垂直极化分量较小，约－8dBi）。E-phi 分量：电场矢量与z轴垂直，theta＝0°附近对应为水平极化分量的一部分；theta＝90°附近时，对应全部水平极化分量。总场：Etheta与Ephi的之合成，或者垂直与水平分量之合成，相当于分集接收的效果。天顶 2、方向图形状定义为了形象地描述某些具有一定特征的天线方向图，定义几个名词，仅限于本网站，与其它场合可能有所区别。名词轴向增益θ＝0°低仰角θ＝80°旋转对称性典型形状典型天线桃子形方向图5 -4 Y 微带天线、振子天线半球形方向图 2 0 Y 四臂螺旋天线、特种微带天线南瓜形方向图-1 1 Y 四臂螺旋天线、特种微带天线全向方向图<-10 2 Y 振子天线、特种微带天线偏轴方向图0 3 N 特种微带天线葫芦形方向图-10 3 N 特种微带天线 实例： l “葫芦形”方向图。 最大辐射方向：＋Y，－Y轴方向，适用于需要覆盖狭长空间的场合 l 体积小：相当于普通微带天线的尺寸 l 相对带宽：约5.5％（VSWR<1.5），13%（VSWR<2） l 可以增加第二个频率的微带天线，半球形方向图，厚度增加约4mm。 l 天线形式：微带天线 l 极化：垂直线极化（E-syt） l 3dB波束宽度：水平面（=90°）70°，垂直面（＝90°）110° l 增益：>4dB（两个主瓣方向） l 安装方式：微带天线面位于球坐标的XOY平面，可以直接安装在金属体上，也可以安装在非金属介质上，方向图稍微有变化。 仿真实例：1.9GHz通讯天线 仿真结果： 龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/919711292.html, 数字相控阵天线测试平台 作者：戴海青胥志毅吴鸿超 来源：《电子技术与软件工程》2017年第15期 摘要：现代大型数字相控阵天线中，天线内的TR组件数目庞大同时工作频带很宽，阵面的暗室测试工作十分繁琐，工作量巨大。为简化测试过程，提高测试效率，文中对数字相控阵天线阵面的测试方案进行了研究，提出并搭建了一套测试平台，通过对天线阵面样机的试验，验证了测试方法的高效率和正确性。 【关键词】相控阵天线天线测试波控 在现代雷达领域，数字相控阵雷达相比较传统的模拟相控阵雷达，在波束扫描的灵活性、系统时问资源利用率以及多功能应用等多个方而有着明显优势。 为了保证数字相控阵天线性能，需完成天线组件的通道数据采集，对整个天线系统的组件相位幅度配平，以及完成对相控阵雷达天线的方向图测试。尤其对于大型相控阵雷达天线而言，测试工作量（尤其在近场测试）按TR组件数目、工作频点数目乘积激增，测试过程非常繁琐。所以建立一种能够快速、准确地测量出数字相控阵天线的特性参数的天线测试平台，对于满足新型数字相控阵雷达的研制十分重要。 1 数字相控阵天线阵面 数字相控阵天线阵而都包含天线罩、天线阵列、结构骨架和高频箱（内部包含了T/R组件、综合网络、阵而电源、阵而监测设备等），其主要功能是： （1）发射时，阵而对发射前级送来的信号进行放大、辐射和空问功率合成。 （2）接收时，阵而将天线接收到的目标回波信号放大，经过数字接收通道转换成数字信号，交由数字波束形成（DBF）形成自适应波束。 数字相控阵天线阵而的测试主要特点：数字相控阵天线阵而，收发波瓣测试时，天线阵而与测试探头之问一个是发射模拟信号，一个则是经过AD采样之后的接收数字IQ信号，二者之问的同步相参需要额外的硬件设备，并经过特殊的数据处理，同时数字相控阵天线阵而控制接口、下行数据接口一般采用光纤形式，需要测试系统满足该要求。 2 测试系统组成和原理框图 根据数字相控阵天线阵而暗室测试的特点，本文设计了一套测试系统，系统框图如图1所示。 扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析 摘要：本文从单元一致性、地面反射、测量天线相位中心误差和方向图等方面分析了波束扫描法的误差来源，讨论了减小误差的方法，给出了改进后的实测方向图，结果表明，该方法原理简单、实施有效，对外场测量大尺寸阵列天线方向图具有重要意义。 【关键词】有源相控阵扫描法误差分析地面反射 1 引言 随着大规模相控阵天线的应用，在外场不具备精确坐标测量条件时，仅有测量天线情况下，波束扫描法可以准确的测量大型有源相控阵天线方向图，其测量误差主要来自单元一致性、地面反射、测量天线、相位中心等。 2 扫描法测量方向图基本原理 被测天线有N个距离为d的单元组成，如图1所示。根据相控阵天线理论，天线方向图为： 天线方向图F（θ，φ0）是指固定波束指向φ=φ0，阵列天线对不同方向电磁波响应的集合；而扫描方向图F（θ0，φ）是指连续调整波束指向，阵列天线对固定方向θ=θ0电磁波响应的集合。可以证明，不考虑单元方向图、地面反射等影响，天线方向图F（θ，φ0）与扫描方向图F（θ0，φ） 相等。 3 波束扫描法测量方向图误差分析 单元一致性主要通过单元方向图Fi（θ，φ）对扫描法测量精度产生影响，这是由于天线单元一致性差别及阵列中互耦环境的变化引起的。 地面反射通过多径效应影响扫描法测量误差。架设测量天线应满足远场条件，有条件时，在阵面前方的合适位置摆放一定高度的“吸波墙”。 几何中心与相位中心的偏移造成最大电平的偏移，影响扫描法测量的精度，如图2所示。因此，若外场不具备坐标精确测量的条件，可以优先通过扫描法对准测量天线相位中心与被测天线相位中心。 测量天线的方向性及有限的波束宽度影响扫描法在多大的角度范围内有效。为减小这一误差，测量天线方向图不宜过窄，对整个阵面单元的最大张角须控制在一个较小的范围以内。 4 实验与结论 以测量现有的一个全数字有源相控阵方向图验证了波束扫描方法的有效性，该阵列为24×1的线阵，得到接收均匀加权方向图如图3所示。结果均表明，线阵接收扫描方向图与天线实际方向图吻合良好，表明该测试方法在外场测试有较高的精度。 通信信号处理实验报告 ——阵列天线方向图的初步研究 11级通信（研） 刘晓娟 一、实验原理： 1、智能天线的基本概念：智能天线是一种阵列天线，它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的方向图形状，即自适应或以预制方式控制波束幅度、指向和零点位置，使波束总是指向期望方向，而零点指向干扰方向，实现波束随着用户走，从而提高天线的增益，节省发射功率。智能天线系统主要由①天线阵列部分；②模/数或数/模转换部分；③波束形成网络部分组成。本次实验着重讨论天线阵列部分。 2、智能天线的工作原理：智能天线的基本思想是：天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号，来自窄波束以外的信号被抑制。 3、方向图的概念：以入射角为横坐标，对应的智能天线输出增益为纵坐标所作的图称为方向图，智能天线的方向图有主瓣、副瓣等，相比其他天线的方向图，智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活的主、副瓣大小、位置关系，和较大的天线增益。与固定天线相比最大的区别是：不同的全职通常对应不同的方向图，我们可以通过改变权值来选择合适的方向图，即天线模式。方向图一般分为两类：一类是静态方向图，即不考虑信号的方向，由阵列的输出直接相加得到；另一类是带指向的方向，这类方向图需要考虑信号的指向，通过控制加权相位来实现。 二、实验目的： 1、设计一个均匀线阵，给出λ（波长），N （天线个数），d （阵元间距），画出方向图曲线，计算3dB 带宽。 2、通过控制变量法讨论λ，N ，d 对方向图曲线的影响。 3、分析旁瓣相对主瓣衰减的程度(即幅度比)。 三、实验内容： 1、公式推导与整理： 权矢量12(,,......)T N ωωωω=，本实验旨在讨论静态方向图，所以此处选择 ω=(1,1,......1)T 。 信号源矢量(1)()[1,,...]j j N T a e e ββθ---=，2sin d πβθλ = ， 幅度方向图函数()()H F a θωθ== (1)1 sin 2sin 2N j n n N e β β β--== ∑=sin(sin /)sin(sin /)n d n d πθλπθλ。 计算机与现代化 2014年第2期 JISUANJI YU XIANDAIHUA 总第222期 文章编号：1006- 2475（2014）02-0209-04收稿日期：2013-09-29作者简介：王桃桃（1989-），女，江苏沭阳人， 南京航空航天大学自动化学院硕士研究生，研究方向：雷达系统仿真；万晓冬（1960-），女，江苏南京人， 副研究员，硕士生导师，研究方向：分布式仿真技术，实时分布式数据库技术，嵌入式软件测试技术；何杰（1988- ），男，安徽铜陵人，硕士研究生，研究方向：机载红外弱小目标检测，三维视景仿真。相控阵雷达系统的仿真 王桃桃，万晓冬，何 杰 (南京航空航天大学自动化学院，江苏南京210016) 摘要：雷达的数字仿真及雷达仿真库的建立已经成为近年来雷达领域研究的热点。本文主要进行相控阵雷达系统的仿真研究。首先根据相控阵雷达的组成和原理，建立相控阵雷达的仿真模型与数学模型。然后选择Simulink 作为仿真平台，对相控阵雷达系统进行仿真与研究。仿真的模块主要有天线模块、信号环境模块、信号处理模块以及GUI 人机交互界面模块。最终在Simulink 库中生成自己的雷达子库，形成相控阵雷达系统，为后续相控阵雷达的研究奠定基础。关键词：雷达;相控阵;信号处理中图分类号：TP391．9 文献标识码：A doi :10．3969/j．issn．1006-2475．2014．02．047 Simulation of Phased Array Ｒadar Systems WANG Tao-tao ，WAN Xiao-dong ，HE Jie （College of Automation Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ）Abstract ：The digital simulation of radar and the establishment of radar simulation libraries has become research hot spot in radar field in recent years．This paper mainly focuses on phased array radar system simulation．According to the composition and prin-ciple of phased array radar ，it establishes the simulation model and mathematical model of phased array radar．Then ，the paper does simulation and research on phased array radar system by choosing Simulink as the simulation platform．The simulation mod-ule mainly includes the antenna module ，the signal environment module ，the signal processing module and GUI man-machine in-terface module．Eventually it generates radar sub-libraries and forms phased array radar system ，which lay the foundation for fol-low-up phased array radar study． Key words ：radar ；phased array ；signal processing 0引言 计算机仿真技术应用于雷达源于20世纪70年代，国内雷达仿真起步较晚，仿真主要是基于SPW 、Matlab 、Simulink 、ADS 、HLA 等平台，其中Simulink 是一种在国内外得到广泛应用的计算机仿真工具，它支持线性系统和非线性系统，连续和离散事件系统，或者是两者的混合系统以及多采样率系统。ADS （Ad-vanced Design System ）软件可以实现高频与低频、时域与频域、噪声、射频电路、数字信号处理电路的仿真等。SPW （Signal Processing Workspace ）是用于信号处理系统设计的强有力的软件包，在雷达领域有着广泛的应用。HLA （High Level Architecture ）提供了基于分布交互环境下仿真系统创建的通用技术支撑框架， 可用来快速地建造一个分布仿真系统。比较4种仿 真平台，SPW 比较昂贵，只能在Unix 操作系统下使用，HLA 通信协议复杂，不同版本的ＲTI 可能有无法通信的问题。Simulink 应用于雷达仿真比ADS 广泛并易于推广，所以本文采用Simulink 作为仿真平台。 为了进行后期雷达与红外的数据融合，首先需要建立雷达模块以产生雷达数据源，本文根据相控阵雷达的工作原理，采用数字仿真的方法，仿真雷达模块。首先提出相控阵雷达的仿真结构图以及给出各个模块的数学模型，然后根据数学模型，利用Simulink 仿真平台，仿真实现雷达的各组成模块，从而构建一个完整的雷达系统。同时，也可以通过使用S 函数将各个模块封装，然后建成自己的雷达仿真库，从而可以形成不同类型的雷达系统，便于更好地进行雷达系统 相控阵天线系统的 协同设计 相控阵天线组成（有源） 相控阵天线系统概述 系统级设计难点 实验报告 学生姓名：学号：指导教师： 实验地点：实验时间： 一、实验室名称： 二、实验项目名称：微波工程CAD实验 三、实验学时：20 四、实验原理： CST仿真软件是基于有限积分法，将整个计算区域离散化并进行数值计算，模拟各种实际器件得出场分布及其各种参数的特性曲线，最后可根据实际要求对所得结果进行优化，得出最优化下的器件尺寸参数。 本次实验利用CST对偶极子相控阵天线及微带到波导转换模型进行了仿真模拟，以此来掌握CST的应用。 五、实验目的： 了解并掌握CST仿真软件的基本操作，学习利用CST仿真软件进行一些简单的工程设计。 六、实验内容： 第一题偶极子相控阵天线的仿真与优化：①偶极子天线尺寸如下图，在4~12GHz的频率范围内，请优化单个偶极子天线的工作频率谐振在f0=8GHz，待优化的变量Lambda初值取为29mm，绘出在该工作频率点的方向图；②将该单个天线在x和y方向分别以Lambda/4作为空间间隙、以90度作为相位间隙，扩展成一个2*2的相控阵天线阵，请使用三种方法计算该天线阵的方向图；③对结果进行比较、分析和讨论。 第二题微带到波导转换的仿真与优化：在26~30GHz频率范围内优化下图微带到波导的转换，使全频带反射最小，并绘出中心频点28GHz的电场、磁场与表面电流的分布；微带是Duroid5880基片，介电常数2.2，基片厚0.254mm，金属层厚0.017mm，介质上的空气尺寸3*1*8mm，标准50欧姆微带线宽0.77mm；波导是Ka波段的BJ320波导，尺寸7.112*3.556*10mm；L是微带基片底面到波导短路面距离，W0*L0是伸入波导中的微带探针的宽与长，W1*L1是第一段变阻线的宽与长，W2*L2是第二段变阻线的宽与长，7个待优化变量可取下图给的初值。 手把手教你天线设计—— 用MATLAB仿真天线方向图 吴正琳 天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。天线的基本单元就是单元天线。 1、单元天线 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。 对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子。 1.1用MATLAB画半波振子天线方向图 主要是说明一下以下几点： 1、在Matlab中的极坐标画图的方法： polar(theta,rho,LineSpec)； theta：极坐标坐标系0-2*pi rho：满足极坐标的方程 LineSpec：画出线的颜色 2、在方向图的过程中如果rho不用abs(f)，在polar中只能画出正值。也就是说这时的方向图只剩下一半。 3、半波振子天线方向图归一化方程： Matlab程序： clear all lam=1000;%波长 k=2*pi./lam;相控阵天线的平台布局仿真设计
5G集成相控阵天线：设计,制造和测试
CST-偶极子相控阵天线的仿真及优化
有源相控阵天线G-T测量及误差分析
相控阵天线的基础理论
天线方向图
数字相控阵天线测试平台
扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析
阵列天线方向图的初步研究
相控阵雷达系统的仿真_王桃桃
相控阵天线协同设计
西安电子科技大学天线系统设计高级培训 2008/06/20
刘 莹 高级应用工程师 aliu@https://www.doczj.com/doc/919711292.html, Ansoft公司 Ansoft公司
内容提纲
相控阵天线系统设计挑战 相控阵的协同设计 机载相控阵天线系统设计实例
相控阵天线组成（无源）
运载平台 有源通道 天线阵列
模块级设计要点
T/R 模组 天线阵列
6）通道宽带化设计 7）大功率射频发射模块：TWT, 铁氧体移相器，PA（无源） 8）基于MMIC的T/R模块（有源相控阵） ）基于MMIC的T/R模块（有源相控阵） 9）天线信号处理与DBF技术（有源相控阵） ）天线信号处理与DBF技术（有源相控阵）
1）单元超宽带设计 2）阵列高增益、低副瓣 3）方向图赋形 4）扫描盲区预评估 5）低天线RCS ）低天线RCS
1）天线与有源T/R模组的相互作用（有源） ）天线与有源T/R模组的相互作用（有源） 2）T/R模组的系统稳定性（有源） T/R模组的系统稳定性（有源） 3）带运载平台的方向图畸变 4）评估带运载平台的天线系统的扫描盲区 5）对飞机内电缆的电磁干扰（EMI） ）对飞机内电缆的电磁干扰（EMI）
先进的协同设计功能
Ansoft确保相控阵天线系统设计成功的三大特有仿真技术 Ansoft确保相控阵天线系统设计成功的三大特有仿真技术 Dynamic Link － 解决T/R模组的系统稳定性设计 解决T/R模组的系统稳定性设计
Technology that provides bi-directional connection between circuit and electromagnetic simulators. Fully parameterized electromagnetic models are linked to circuits with parameters passed to the electromagnetic simulator and S-parameter results passed back.
Pushed Excitations －T/R模组的副相误差对天线副瓣的影响 T/R模组的副相误差对天线副瓣的影响
Technology that allows results from combined circuits and electromagnetic simulations to produce fields and radiation.
Data Link －运载平台与天线系统间的相互作用
Couples multiple 3D EM simulation projects by linking tangential fields on the outer surface of one project to another. This linkage between projects allows engineers to simulate very large and complex geometries efficiently.CST-偶极子相控阵天线的仿真与优化
手把手教你天线设计——用MATLAB仿真天线方向图
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