阵列天线方向图的初步研究

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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 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--==

∑=sin(sin /)sin(sin /)n d n d πθλπθλ。

主瓣宽度02arcsin

BW Nd

λ

=。

2、选择合适的参数，编写matlab 程序绘制方向图函数，见下图2-1

4、讨论λ，N ，d 对方向图曲线的影响。图4-1波长对方向图的影响

虚线——波长=0.01;

间断线——波长=0.02;

实线——波长=0.03;

图4-2：天线间隔对方向图的影响

虚线——d1=lamda/2;

间断线——d2=lamda/3;

实线——d3=lamda/4

图4—3 阵元个数对方向图的影响

虚线——N1=10;

间断线——N2=15;

实线——N3=20;

四、实验结论：

1、通过对图4-1的观察，可以看出，在一定范围内，波长越长，旁瓣对主瓣的衰减越小，零分贝带宽和3分贝带宽都明显增大，此时天线的性能降低；

2、通过对图4-2的分析，可得，当天线间隔小于等于半波长时，间隔越大性能越好，间隔越小会出现多个主瓣，

3、分析图4-3可以看出，阵元个数越多，主瓣的幅度越大，旁瓣对主瓣的衰减也越大，同时零分贝带宽和3分贝带宽都越小，即天线性能越好。

五、实验心得：

经过本次实验，我对智能天线有了一个更深刻的了解，同时也增强了自己在matlab方面的编程能力，但是依然存在很多不足，在以后的学习中还要继续努力，增强理论和实践的结合。

六、附：程序代码

程序一：

lamda1=0.01;

lamda3=0.02;

lamda2=0.03;

d=lamda/2;

N=10;

sita=-pi/2:0.001:pi/2;

beta1=2*pi*d*sin(sita)/lamda1;

beta2=2*pi*d*sin(sita)/lamda2;

beta3=2*pi*d*sin(sita)/lamda3;

A1=sin(N*beta1/2);

A2=sin(N*beta2/2);

A3=sin(N*beta3/2);

B1=N*sin(beta1/2);

B2=N*sin(beta2/2);

B3=N*sin(beta3/2);

F1=abs(A1./B1);

F2=abs(A2./B2);

F3=abs(A3./B3);

plot(sita,F1,':',sita,F2,'-',sita,F3,'--'); grid on;

程序二：

lamda=0.01;

d1=lamda/2;

d2=lamda/3;

d3=lamda;