移动通信中的天线阵特性

移动通信中天线阵列特性基于MATLAB实现编制姚晨，李松，许喜乐(安徽省，六安市，皖西学院，信息工程学院，通信0901，23700)摘要：天线阵是移动通信系统的重要组成部分，其性能好坏直接关系到系统的通信质量。天线阵种类繁多，性能各异。描述天线阵特性的参数很多，且计算复杂，尤其是描述天线阵方向特性的方向性图为立体图，绘制非常困难。为了解决这些问题，本文以天线的方向函数为主要研究对象分析天线的方向特性。在此基础上采用MATLAB语言编制了一个天线阵列特性分析软件，实现了天线特性参数的计算和灵活绘制天线方向性图的功能。该软件涵盖了多种不同类型的天线，根据选定的天线类型，通过输入相应的参数，点击绘制图形功能，便可以绘制出天线阵的立体方向性图。该软件还具有计算功能，利用该软件可以计算天线的主瓣张角、主瓣宽度和方向性系数等一系列参数。通过构造任意的方向性函数，该软件还实现了自定义方向性函数的功能，利用该软件可以绘制出输入的规定范围内的此方向性函数的极坐标方向性图，同时还可以返回此图中最大值所在的位置，为空间方向角的间隔选取提供参考，并能保存此方向图的图片。该软件具有较强的方向性图绘制功能和天线特性参数的计算功并能保存此方向图的图片。该软件具有较强的方向性图绘制功能和天线特性参数的计算功能，在教学和工程实际中都具有一定的实用价值。关键词：天线阵，方向性，方向性图，MATLAB语言Abstract：Mobilecommunicationsantennaarrayisanimportantpartofthesystem,itsperformanceisdirectlyconnectedtothesystemofcommunicationquality.Antennaarrayawiderangeofdifferentproperties.Describethecharacteristicsofantennaarrayparametersaremany,andcomplexcalculations,particularlydescribingthecharacteristicsofantennaarrayorientationpictureshowsthedirectionofthree-dimensionalmaps,verydifficult.Toaddresstheseissues,thisarticleantennasfunctionasthemainobjectofthedirectionoftheantennacharacteristics.Onthisbasis,developedusingMATLABlanguagefeaturesanarrayofsoftware,toachievethecalculationoftheantennaparametersandflexiblemappingfunctionoftheantennadirectionaldiagram.Thesoftwarecoversmanydifferenttypesofantennas,accordingtotheselectedantennatype,byenteringthecorrespondingoftheparameters,clickondrawinggraphics,wecandrawoutthethree-dimensionalpatternoftheantennaarray.Thesoftwarealsohasacalculationfunction,usingthesoftwarecancalculatetheinclinationoftheantennamainlobe,mainlobewidthanddirectivityandaseriesofparameters.Functionbyconstructinganarbitrarydirection,thesoftwarealsoimplementsacustomfunctiondirectionalfunction,usingthesoftwarecandrawwithintheprovisionsoftheinputfunctionofthisdirectionalorientationpolarmap,andalsocanreturntothismapthemaximumposition,thedirectionforthespaceintervalselectedreferenceangleandthepreservationofthispatterninthepicture.Thesoftwarehasastrongdirectionalmappingfunctionandtheantennaparametersofcomputinginteachingandengineeringpracticehavesomepracticalvalue.Keywords:antennaarray,direction,directionalmap,MATLABlanguage前言：近年来，随着现代通信技术的不断进步，移动通信业务正以前所未有的速度迅速发展。天线阵作为移动通信系统的重要组成部分，其性能好坏对整个系统的工作起着举足轻重的作用。随着3G技术的开发与日趋成熟，无线公共信号网络覆盖范围的扩大，天线阵的应用日趋广泛。天线阵种类繁多，性能各异。描述天线阵特性的参数很多，且计算复杂，尤其是描述天线阵方向特性的方向性图为立体图，绘制非常困难。为了解决这些问题，同时也结合大连海事大学教改项目的要求，本文采用MATLAB语言编制分析天线阵列特性的通用软件。该软件可用于实际教学，在工程实际中也有参考应用价值。天线的远区场是一组复杂的函数，对不同天线的辐射场的分析可以从中得到此种天线的各种重要的性能电气参数。方向性函数是表征辐射场在不同方向辐射特性的重要关系式，如果对它的分析和认识如果仅仅停留在方向性函数以及公式中各参数的讨论上，将很难理解天线辐射场的空间分布以及定向天线集中辐射的概念。表征天线辐射场空间分布的方向性函数如果通过二维、三维图形显示，便可直观、形象化地展示并揭示各参量之间的内在关系。目前，绘制天线方向性图的一般方法是根据描述天线辐射场特性的方向性函数，计算各空间角对应的函数值，然后绘制出方向性图。由于方向性函数是三维空间角的函数，所以绘制出的方向性图是立体图。然而立体图很难画，目前教学和工程实际中都是先绘制出两个特殊平面——赤道面和子午面的方向性图，然后想象出立体图。然而，对于比较复杂的方向性图，通常很难仅通过两个平面图想象出立体图。本文首先根据天线的基本理论，分析了电流元、对称振子天线、直线阵列天线以及垂直接地天线的方向图函数F（,）随各参变量变化的规律以及相关天线赤道面、子午面的二维图形的特点，讨论了各个天线的最大辐射方向、主瓣宽度、方向性系数、辐射电阻等参量随方向角变化的二维、三维图形的特点，然后借助MATLAB的绘图功能，编制了能绘制各种天线二维、三维方向性图的软件。利用该软件绘制的方向性图可以观察到天线辐射场在不同方向的辐射能量分布，直观清楚地表现了辐射场空间分布的特点。论文还对任意输入方向性函数的绘制方法也进行了尝试，并取得了一定的成果。1天线的相关基础知识1．1各种不同类型天线1.1.1对称振子对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的一种天线结构形式。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为半波对称振子。半波对称振子性能优良，应用最为广泛。单个半波对称振子可以简单地单独立使用，也可以用作抛物面天线的馈源，采用多个半波对称振子还可以组成天线阵。全波对称振子的Ｅ面方向图如图1.１（b）所示。图1.1不同长度对称振子的E面方向性图图1.1(c)、1.1(d)、1.1(e)和1.1(f)分别为L=5/4、L=6/4、L=7/4和L=2对称振子的E面方向图。由于振子长度大于一个波长时，天线振子臂上的电流不完全同相，反向电流对辐射产生抵消作用，因而方向图出现多瓣形状。1.1.2天线阵在实践中，为了使辐射场实现某种方向性，常常把若干个天线按某种排列方式组合在一起，这样就构成了天线阵。天线阵是将若干个天线按一定的规律排列组成的天线系统。利用这种天线系统可以获得所期望的辐射特性，诸如更高的增益，需要的方向性等。组成天线阵的独立单元，排列的方式有直线阵，平面阵。构成天线阵的每一个天线称为单元天线。由n个单元天线构成的天线阵就称为n元天线阵。图2.2给出了以半波对称振子为单元天线的各种排列方式的天线阵，其中图1.2(a)、图1.2(b)中各单元半波对称振子的中心排列成一条直线，称为直线天线阵；图1.2(c)中各单元半波对称振子的中心在一个平面之内，称为平面天线阵；图1.2(d)中各单元半波对称振子的中心处于三维空间中，称为立体天线阵。图1.2直线、平面和立体天线范1.业2天都线的符特性传参数惩天线柳方向诚性图还主瓣促两侧矮两个赤零辐克射方忘向之崇间的锋夹角复称为寻主瓣酷张角县，又吊称为叶零功田率波翠瓣宽植度，晨习惯蜻上用给2国θ羡0表肥示。刚2桥θ设0恢是一逆个完骆整的斜符号搞，并迟不是慕θ舍0待角的捐2倍枯。妈功率长流密针度和膏辐射待强度查分别刺是最覆大辐袄射方邮向功胁率流姐密度秒和辐巾射强穿度一扣半，版这两跌个方清向称左为半或功率衫辐射肝方向洋，而畜它们纺之间醋的夹染角则墙称为殖主瓣享宽度临，又独称为奏半功裂率波足瓣宽斤度。竭如果舌在天埋线某要个主怎平面土方向厘性图灭的主危瓣上盟，预θ狗1技和晨θ欺2餐是使央归一腾化方翼向性汽函数词值等碰于0悔.7匹07喘的两咬个方诵向，唯则主砌瓣宽晃度可制按下掀式计竭算佳因颂醉窜稿火缘滤(1疑.2闲1接）严如果容方向爸性图恳对称李，主刷瓣宽矩度也急可以话按下柜式计苹算么俭女闪半滴夏愈坐垂僵(秃1.傅22密）千与主季瓣张景角一新样，槽主瓣画宽度宽2碎0.坚5也旧是一冶个完瓜整的劳符号闯。丛辐射岩电阻录对于附给定服的观毕察点寻P（鸡r,皇）可磁以将拔方向严性函妥数表远示为午，由刊此可捆得平殊均波们印亭轿矢量由为冲，对为上式专积分型可得厨辐射并功率答为：慈载(去1.附23趴）土选定浆参照务电流渡后，指就可警以确诸定天责线的祸辐射联电阻锣：普（冰1.律24职）形从上扇式可冒以看抱出辐艳射电醉阻式故反应伶天线闭辐射能电磁专波能夫力的怀一个钱参数号。在萄相同蚊的参在照电净流下仅，辐俯射电盛阻越雾大，蛾天线挽辐射假功率丙越大带。秒自由窑空间宿中辐忽射功浇率为榜的天崇线在迁全方决向4犬立体菌角内适辐射档强度炉的平旁均值浇称为园平均蛛辐射盛强度死，即绑：阔（诸1.糖25奋）延方向明性系英数可票以定殿义通双过辐适射强纤度，炎功率吼流密乓度和式电场躁强度栽来定颤义烂(1啦.2观6持）厘天线警的方决向性英系数巷就等疼于最快大辐环射强烈度与日平均如辐射孝强度链之比乎；也职等于脾相同泛距离步，相孤同辐弟射功粉率条躺件下听天线薪最大贝辐射乒方向批的功移率流摧密度停与无遮方向互性理内想点兽源的穴功率干流密烤度之范比。担（地1.由27告）孙如果礼已知鸣辐射宰电阻情，就嫂可以葬直接究计算堆：怀（序1.榜28辉）承2桌利亚用M漠AT湖LA堡B语歉言绘丸制天纺线方腔向性介图唉2颗.1尾观构建狗单独俘函数秃实现暂方向常性图啦的绘哲制音2剂.1箩.1愉对称架振子认方向旷性图嘉的绘洪制警常见伶的长置度为越2l郑=穷/2城的对垂称振辩子称梨为半闹波对梳称振魂子。载把k镇l=币2删l/虏=梢/2怒带入诞（2究.1役）上拔式就草得到域半波昌对称沃振子伤的辐易射场侄：匀(东2猎.1薄）掀常见冷的长刊度为疏2l赏的对迫称振害子称寺为全辅波对轧称振含子。致把之kl薄=垒2游l月/鬼=乞带入熄上式布则得氏到全哲波对绍称振定子的扁辐射折场：君(2丈.2挂）昼要考捐虑它或的几捆何长微度型2l钱与工胡作波鼻长浅的相锤对关赏系。为通常跌把对有称振六子的亮几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