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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 dπβθλ=，幅度方向图函数()()HF a θωθ==(1)1sin2sin 2Nj n n N eβββ--==∑=sin(sin /)sin(sin /)n d n d πθλπθλ。
在室外测试场中阵列天线方向图的测试方法郝延刚;李淑华【摘要】On the basis of the commonly used antenna pattern measurement method, is the size of a large array antenna taken into consideration, and designed a set of array antenna pattern testing method in an outdoor test field. According to this method, the array antenna pattern of a particular model of aircraft is firstly tested. Then the radiation pattern of the pitch surface is measured and compared with the theoretical simulation results thus proving the accuracy of the experimental program. Finally, the experimental error is analyzed.%在常用天线方向图测量方法的基础上,考虑大型阵列天线尺寸大的特殊性,并且结合实际测量条件,设计出一套在室外测试场中阵列天线方向图的测试方法.按照此方法,对某型号飞机的阵列天线方向图进行测试.测得其俯仰面辐射方向图后与理论仿真结果对比,论证实验方案的准确性,并对实验误差进行分析.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)029【总页数】4页(P7745-7748)【关键词】阵列天线;方向图;室外测试场【作者】郝延刚;李淑华【作者单位】海军航空工程学院青岛分院,青岛266041;海军航空工程学院青岛分院,青岛266041【正文语种】中文【中图分类】TN820.1阵列天线具有较强的方向性和较高的增益，并且能够实现方向图扫描等优点。
数字阵列天线宽带辐射方向图综合技术陈必然;王烨【摘要】针对采用数字中频的多通道阵列天线的宽带信号辐射能力展开了研究.介绍的数字阵列天线宽带辐射方向图综合技术,其主要创新点是宽带辐射方向图计算方法的理论推导,并对其在频域取平均,用于衡量其副瓣电平.在详细介绍数字阵发射的宽带辐射场计算方法的基础上,通过仿真对多通道数字中频系统的宽带辐射方向图进行计算.本文研究的数字阵列天线,其阵面是工作在8 GHz的矩形网格平面微带天线阵,宽带信号是经线性调频信号调制的二进制相移键控(BPSK)编码信号,不同通道发射不同的基带信号,对宽带发射波束进行了分析,论证了基于数字阵列天线的宽带发射波束形成的有效性.【期刊名称】《舰船电子对抗》【年(卷),期】2019(042)004【总页数】5页(P54-57,80)【关键词】数字阵列天线;宽带方向图;宽带波束综合【作者】陈必然;王烨【作者单位】海军装备部,陕西西安610036;海军装备部,陕西西安610036【正文语种】中文【中图分类】TN910 引言现代电讯技术的发展面临诸多挑战，电子信息设备需要适应日益复杂的电磁环境，才能满足新时代的侦干探通需求。
电子信息设备的发展对天线提出了新的要求，天线需要工作在更宽的频带，具有更为灵活的波束赋形能力。
早在上个世纪60年代，研究人员就开始利用数字处理技术形成波束，并将其应用于声纳和雷达领域[1]。
现代电讯技术要求电子信息设备工作在更宽的频带，拥有更为灵活的波束赋形能力，才能满足新时代的侦干探通需求。
数字阵列天线对发射信号进行多通道数字中频，作为一种新型阵列形式，数字阵列天线在雷达和通信领域有着十分广阔的应用前景。
近年来，欧洲、亚洲等地的学者在发挥其低副瓣[2]等性能优势外，还挖掘其多输入多输出(MIMO)特点，实现快速现场系统校准[3]、发射数字多波束[4]、波束赋形等功能[5]。
本文针对数字阵列天线各单元传输不同信号这一问题，对宽带信号传输进行研究，在第1节理论分析了多通道数字中频系统的宽带辐射方向图的理论计算方法，具体讨论了宽带多通道数字中频信号的评价指标。
阵列天线方向图综合新技术研究阵列天线方向图综合新技术研究引言：天线技术作为通信领域的重要组成部分，对于增强通信系统的性能至关重要。
传统的单天线系统在满足日益增长的通信需求上已经无法满足现代社会对高速、高容量通信的要求。
而阵列天线技术作为一种重要的解决方案，通过利用多个小天线构成的阵列，能够实现灵活的信号处理和波束形成，从而提高通信系统的容量和可靠性。
本文将综合介绍阵列天线方向图的新技术研究，包括波束形成算法、阵列天线的布局和优化、阵列天线的信号处理以及在不同应用场景下的性能研究。
一、波束形成算法波束形成算法是实现阵列天线性能优化的核心技术之一。
目前常用的波束形成算法包括传统的线性加权算法和现代的非线性自适应波束形成算法。
传统的线性加权算法采用简单的均匀加权方式，对所有接收到的信号进行加权求和，其算法简单但效果有限。
而非线性自适应波束形成算法通过自适应地调整天线的相位和幅度权值，能够根据信号的到达角度和干扰环境动态调整，从而提高阵列天线的波束指向特性和抗干扰性能。
在波束形成算法中，最常用的是基于最小均方误差准则的自适应波束形成算法。
该算法通过不断调整天线的权值，使得波束方向上的信号功率最大化，抑制波束以外的干扰功率。
此外，还有一些改进的算法，如基于约束最优化的波束形成算法、基于子空间分离的波束形成算法等，这些算法在特殊场景下能够更好地适应和优化。
二、阵列天线的布局和优化阵列天线的布局和优化是提高阵列天线性能的重要手段。
在阵列天线的布局中，影响性能最大的是天线之间的距离和方向的选择。
一般情况下，天线之间的距离越小，波束方向图的主瓣宽度越窄，抗干扰性能越好。
而天线之间的方向选择则决定了波束的指向性能。
在实际部署中，常见的布局方式有线性阵列、圆形阵列、矩形阵列等多种形式，不同的布局方式对应不同的应用需求，需根据具体情况综合考虑。
在阵列天线的优化中，常用的是基于遗传算法、粒子群算法等优化算法。
这些算法通过随机搜索和迭代优化的方式，对阵列天线的布局进行优化，进而提高天线的指向性和经济性。
目录
一、基本概念 (1)
1.1方向图基本概念 (1)
1.2主瓣宽度 (2)
1.2.1主瓣宽度基本概念及特性 (4)
1.3旁瓣抑制 (4)
一、基本概念
1.1方向图基本概念
天线的辐射电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形，称为方向图。
用辐射场强表示的称为场强方向图，用功率密度表示的称之功率方向图，用相位表示的称为相位方向图。
天线方向图是空间立体图形，但是通常应用的是两个互相垂直的主平面內的方向图，称为平面方向图。
在线性天线中，由于地面影响较大，都采用垂直面和水平面作为主平面。
在面型天线中，则采用E平面和H平面作为两个主平面。
归一化方向图取最大值为一。
在方向图中，包含所需最大辐射方向的辐射波瓣叫天线主波瓣，也称天线波束。
主瓣之外的波瓣叫副瓣或旁瓣或边瓣，与主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣，见图1：全向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为圆柱型；图2：定向天线水平波瓣和垂直波瓣图，其天线外形为板状。
图1 全向天线波瓣示意图
图2 定向天线波瓣示意图
1.2主瓣宽度
为了方便对各种天线的方向图特性进行比较，就需要规定一些特性参数。
主要包括：零功率波瓣宽度、半功率点波瓣宽度、旁瓣电平、前后比、方向系数等。
1.零功率波瓣宽度，指主瓣两侧场强值为0的两个方向之间的夹角，用2表示。
许多天线方向图的主瓣是关于最大辐射方向对称的，因此，只要确定零功率主瓣宽度的一半，再取其2倍即可求得零功率主瓣宽度,即2=2。
2. 半功率点波瓣宽度，指方向图主瓣两侧两个半功率点（即场强下降到最大值下降到0.707（或分贝值从最大值下降3dB处对应的两点）之间的夹角，又称为3dB波束宽度或主瓣宽度，记为。
对方向
图对称天线，半功率主瓣宽度=2。
一般
情况下，天线的E面和H面方向图主瓣宽度不同，分别记为、。
如不特殊说明，通常主瓣宽度是指半功率主瓣。
3. 副瓣电平，天线往往不止一个副瓣，而是有若干个。
仅靠主瓣的副瓣叫第一副瓣，依次为第二，第三、……副瓣，这些副瓣的峰值可能是不同的。
为估计副瓣的强弱，通常用副电平表示，其定义是任一副瓣的最大值与主瓣的最大值之比称为该副瓣的副瓣电平，其中最大值称为天线的最大副瓣电平0。
通常，第一副瓣电平即为最大副瓣电平。
副瓣电平通常用分贝表示，如第i个副瓣电平可表示为
SL=20lg dB
式中为第i个副瓣的场强最大值，为主瓣的最大值。
这样，对于各个副瓣均可求得其副瓣电平值。
在工程中，通常第一副瓣电平最大，记为SLL。
4.前后比后半最大模值与主瓣最大模值之比称为前后比，即
=20lg dB。
5.方向系数在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。
1.2.1主瓣宽度基本概念及特性
主瓣宽度即半功率点波瓣宽度。
天线功率辐射击是否集中，可以用主瓣宽度这一参量来表示。
主瓣宽度越小，方向图越尖锐，表示天线辐射越集中。
参见图3 a , 在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。
波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
如果反天线在各方向辐射击的强度用从原点出发的矢量长短来表示，则连接全部矢量端点所形成的包络就是天线的方向图。
它显示出天线的在不同方向辐射的相对大小，这种方向图称为立体方向图。
矢径的方向代表辐射的方向，矢径的长短代表辐射击的强度。
a 图3 b
还有一种波瓣宽度，即10dB 波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB （功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角，见图3 b。
一般用分贝来表示：101g副瓣最大值功率/主瓣最大值功率。
1.3旁瓣抑制
在天线系统中, 降低旁瓣电平具有实际意义, 然而天线阵的主瓣宽度和旁瓣电平是既相互依赖又相互对立的一对矛盾。
天线阵方向图的主瓣宽度小, 则旁瓣电平就高；反之, 主瓣宽度大, 则旁瓣电平就低。
均匀直线阵的主瓣很窄, 但旁瓣数目多、电平高; 二项式直线阵的主瓣很宽, 旁瓣就消失了。
对发射天线来说, 天线方向图的旁瓣是朝不希望的区域发射, 从而分散了天线的辐射能量; 而对接收天线来说，从不希望的区域接收, 就要降低接收信噪比, 因此它是有害的。
但旁瓣又起到了压缩主瓣宽度的作用, 从这点来说, 旁瓣似乎又是有益的。
实际上, 只要旁瓣电平低于给定的电平, 旁瓣是允许存在的。
能在主瓣宽度和旁瓣电平间进行最优折中的是道尔夫切比雪夫分布阵。
这种天线阵在满足给定旁瓣电平的条件下, 主瓣宽度最窄。
道尔夫切比雪夫分布阵具有等旁瓣的特点, 其数学表达式是切比雪夫多项式。
道尔夫切比雪夫分布边射阵是最优边射阵, 它所产生的方向图是最优方向图。
信号的覆盖主要靠天线的主瓣和主瓣下面的旁瓣来保证，而主瓣上面的旁瓣不仅浪费了天线辐射的能量，分散了功率，而且对接收天线来说还引入了噪声，并且会对相邻小区特别是相邻小区的高层建筑形成干扰，所以天线上面的旁瓣应该尽量抑制，尤其是较大的第一副瓣，同时应加强对主瓣下面零点的填充。
天线零点填充值的计算公式如下：
天线零点填充值 = 垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）% = 20log垂直第一下零点幅值/最大辐射方向幅值）dB
主瓣上面的第一旁瓣电平应小于-18dB；主瓣下面的第一零点电平应大于-20dB，如果能达到-12dB是非常好的选择。
近几年提出的旁瓣抑制方法主要有两类: 一类是基于凸优化理论, 如二阶锥规划、半定规划等。
由于凸优化问题可以利用内点法快
速求得全局最优解, 因此这类算法有收敛速度快,效率高等优点。
但传统算法在凸优化问题建模过程中引入了近似, 影响了波束形成器的最优性,且不能对主瓣宽度、信噪比增益等进行灵活控制;另一类旁瓣抑制方法是基于人工智能算法, 如遗传算法等。
这类算法建模过程简单, 但是有容易陷入局部最优解, 收敛速度慢等缺点。
旁瓣抑制往往是以损失信噪比增益和展宽主瓣宽度为代价的。
因此在抑制旁瓣的同时必须保证信噪比增益下降程度和主瓣展宽程度都在用户要求的范围内。
