天线与电波传播(第二版)-课件

9.1智能天线9.2光子晶体天线9.3等离子体天线习题九

9.1智能天线9.1.1智能天线的基本原理

智能天线是一种阵列天线，排阵方式多样，其中等间距直线阵最为常见。

如图9-1-1所示，首先建立智能天线的信号模型。9.1智能天线9.1.1智能天线的基本原理

智能天线是一种阵列天图9-1-1等间距直线阵图9-1-1等间距直线阵设等间距直线阵的阵元个数为N，阵元间距为d，以第

1个阵元作为参考阵元,信号s(t)的入射方向与天线阵法线方向的夹角为θ。s(t)到达第i个阵元与到达参考阵元的时间差为

（9-1-1）

其中c为光速。如果载波频率为f，信号s(t)在参考阵元上的感应信号通常可以用复数表示为

x1(t)=u(t)ej2πft（9-1-2）设等间距直线阵的阵元个数为N，阵元间距为d，以第

1个阵信号s(t)在第i个阵元上的感应信号可表示为

(9-1-3)把信号s(t)在天线阵上感应的信号用向量表示为

(9-1-4)式中，a(θ)称为引导向量并可表示为

(9-1-5)信号s(t)在第i个阵元上的感应信号可表示为

由于每一个阵元上都存在着有热噪声，噪声向量为

n(t)=［n1(t)n2(t)…nN(t)］T(9-1-6)

若空间还存在着干扰，可令干扰向量为

J(t)=［J1(t)J2(t)…JN(t)］T(9-1-7)

于是x(t)可表示为

X(t)=a(θ)x1(t)+n(t)+J(t)(9-1-8)由于每一个阵元上都存在着有热噪声，噪声向量为

如图9-1-2所示，智能天线的核心部分为波束形成器。在波束形成器中，自适应信号处理器是核心部分，它的主要功能是依据某一种准则实时地求出满足该准则的当前权向量值，我们把这种准则称为波束形成算法，它是实现波束形成的关键技术。如图9-1-2所示，智能天线的核心部分为波束形成器。在波图9-1-2波束形成器结构图9-1-2波束形成器结构波束形成器的数学表述为

W=［w1

w2…wN］T(9-1-9)阵列最后输出的信号为

y(t)=WTX(t)(9-1-10)波束形成器的数学表述为

W=［w19.1.2自适应数字波束形成

自适应数字波束形成(简称DigitalBeamforming，DBF)算法有很多种，最基本的当属基于时域参考信号的自适应算法。

在接收系统中设置与有用信号具有较大相关性的本地参考信号d(t)，于是阵列输出与参考信号之间的误差为

ε=d(t)-y(t)=d(t)-WTX(t)(9-1-11)9.1.2自适应数字波束形成

自适应数字波束形成(均方误差为

(9-1-12)

其中

(9-1-13)

为输入与参考信号的相关向量;

(9-1-14)均方误差为

根据B.Widrow提出的误差均方最小准则(MMSE)，由式(9-1-12)，将ξ对加权向量W求梯度，得到

(9-1-15)令其为零，则可得出最佳维纳解

(9-1-16)根据B.Widrow提出的误差均方最小准则(实际应用中，Rxx和rxd事先未知，一般不能直接使用上式求解最佳加权向量Wopt。权向量必须根据某种自适应算法自适应地随着输入数据的变化而更新。最简便的如LMS(LeastMeanSquares)算法，它基于梯度估计的最陡下降原理，适用于工作环境中信号的统计特性平稳但未知的情况。LMS算法的迭代公式如下:

(9-1-17)

式中，μ为迭代步长，它控制算法收敛的速度，它的取值必须满足:

(9-1-18)实际应用中，Rxx和rxd事先未知，一般不能直接使用上图9-1-3是一个间隔距离为0.45λ的十元均匀直线阵LMS算法的实例。在噪信比为2，干信比为5，有用信号方向为-20°，干扰来向为50°的条件下，LMS算法约1000步以后达到了自适应目的。图9-1-3是一个间隔距离为0.45λ的十元均匀直线阵图9-1-3LMS算法的计算结果(a)误差随迭代次数的变化；(b)方向函数随角度的变化图9-1-3LMS算法的计算结果9.1.3多波束天线

智能天线的另一个重要内容就是利用各个移动通信用户空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发送多个用户信号而不发生相互干扰，即空分多址。

图9-1-4显示了十元均匀直线阵利用上述方法实现的多波束场强方向图，波束指向分别为45°、-10°和-30°方向，调整-10°和-30°方向的加权向量幅度，使得这两个方向上的功率强度比45°方向上的功率强度低3dB。9.1.3多波束天线

智能天线的另一个重要内容就是图9-1-4十阵元多波束方向图图9-1-4十阵元多波束方向图9.2.1光子晶体的基本概念

一般晶体内部的原子是周期性有序排列的，由它们产生了周期势场。固体物理的研究成果表明，在周期势场中运动的电子所允许具有的能量是不连续的，即晶体中存在着电子的能带结构，带与带之间往往存在带隙，电子的能量处于带隙中的情况不可能出现，因此带隙也被称为电子禁带。将带隙特性的概念延拓到周期性的电磁结构，带隙特性则表现为电磁波穿透周期性介质时，特定频段的电磁波是禁止传播的。9.2光子晶体天线9.2.1光子晶体的基本概念

一般晶体内部的原子是9.2.2光子晶体天线的结构及类型

微波天线中所采用的光子晶体结构有多种，例如：基底钻孔型，即在贴片天线的基底内钻一些周期性的孔结构；地面腐蚀型，即在地面上腐蚀出一些周期性的圆或其它形状的孔结构；高阻表面型和共面紧凑型等，下面简要介绍后两种光子晶体结构。

9.2.2光子晶体天线的结构及类型

微波天线中所采高阻表面结构如图9-2-1所示，它由一组金属贴片在介质基板上周期排列构成，金属贴片按二维网格排列，常见的贴片形式有正方形、六边形和三角形，顶层的周期排列金属贴片通过每个贴片中心的垂直导电孔与介质基板下面的金属接地面相连。图中金属贴片中间的黑点表示金属化过孔。高阻表面结构如图9-2-1所示，它由一组金属贴片在介质基图9-2-1高阻表面结构及等效电路(a)俯视图；(b)横截面图；(c)等效电路图9-2-1高阻表面结构及等效电路高阻表面结构紧凑，其单元尺寸远小于工作波长，所以它的电磁特性可以采用集总的电容和电感来描述，如图9-2-1(c)所示，其表面就如同并联LC谐振电路，在谐振频率上，并联LC电路的阻抗为无穷大，在谐振频率附近，其阻抗也非常高，这也是这种微波光子晶体被称为高阻表面的原因。为了在低频段实现电磁带隙，还可以在普通2层结构高阻表面的基础上设计3层结构。高阻表面结构紧凑，其单元尺寸远小于工作波长，所以它的电磁图9-2-2UC-PBG结构图9-2-2UC-PBG结构另外一种谐振型微波光子晶体——共面紧凑型光子晶体结构(UniplanarCompactPhotonicBandgap，简称UC-PBG)如图9-2-2所示。它正是利用金属贴片结构上这种复杂性提供电感和电容，来构成并联LC谐振电路。这种结构不必打孔，所以加工工艺更为简单，仅仅需要类似印刷电路的加工手段，所以在集成化和毫米波电路方面具有优势。另外一种谐振型微波光子晶体——共面紧凑型光子晶体结构(U

1.光子晶体波导缝隙天线

金属波导缝隙天线可用于大型相控阵天线，其结构如图9-2-3所示，金属导电平板向四周延展构成接地面。

采用光子晶体代替金属平板作为波导缝隙天线的接地面，就构成了光子晶体波导缝隙天线，如图9-2-4所示。1.光子晶体波导缝隙天线

金属波导缝隙天线可用于图9-2-3金属端面缝隙天线(a)结构示意图；(b)表面波边缘绕射图9-2-3金属端面缝隙天线图9-2-4光子晶体缝隙天线图9-2-4光子晶体缝隙天线

2.光子晶体微带天线

微带天线具有体积小、剖面低、易与载体表面共形、成本低、适合于大规模生产等优点。如图9-2-5所示，在微带天线四周的介质基板上设计光子晶体结构，光子晶体的表面波带隙与微带天线的工作频率相同，对表面波有很好的抑制效果，光子晶体周期的数目一般有4~5个周期就可以有比

较好的抑制效果。2.光子晶体微带天线

微带天线具有体积小、剖面图9-2-5光子晶体微带天线图9-2-5光子晶体微带天线

3.低剖面光子晶体天线

在实际应用中，有时只需要天线向一侧辐射。

4.高方向性光子晶体缺陷天线

如果在光子晶体的周期性结构中引入缺陷，破坏其结构的周期性，其带隙必然发生变化，在光子晶体的带隙中可以形成新的能带，称之为缺陷带，在缺陷带相对应的频率

上则表现为电磁波能够传播。3.低剖面光子晶体天线

在实际应用中，有时只需要9.3.1等离子体简介

等离子体(Plasma)是尺度大于德拜(Debye)长度的宏观中性电离气体，其运动主要受电磁力的支配，并表现出显著的集体行为。

德拜(Debye)长度为

(9-3-1)9.3等离子体天线9.3.1等离子体简介

等离子体(Plasma)是9.3.2等离子体天线的发展简史与工作原理

与固态金属或介质构成的传统天线不同，等离子体天线(PlasmaAntenna)使用电离气体实现导行波与自由空间波之间的转换。

等离子体理论指出，在低频情况下，即

ω<<ωpe,ω<<ν(9-3-2)9.3.2等离子体天线的发展简史与工作原理

与固态此时，电磁波在等离子体中的传播与在良导体中的传播相似，也存在趋肤效应。

等离子体天线及其阵列思想的提出可追溯到1973年美国学者J.R.Vaill(U.S.Patent3719829)和D.A.Tidman(U.S.Patent3775698)所申请的两个专利。

1983年前后，美国海军研究实验所(NavalResearchLaboratory)成功进行了利用激光诱发大气高压放电产生的等离子体柱作为射频(112MHz)收、发天线的原理验证

性实验。图9-3-1给出了该等离子体天线发射状态示意图。此时，电磁波在等离子体中的传播与在良导体中的传播相似，也图9-3-1激光诱发大气高压放电等离子体天线示意图图9-3-1激光诱发大气高压放电等离子体天线示意图1999年前后，澳大利亚国立大学(AustralianNationalUniversity)研制成功利用表面波单极驱动的等离子体天线，如图9-3-3所示。其机理是：将足够大的射频功率耦合到玻璃管中的低压惰性气体柱，激发起沿该气体柱的等离子态表面波，此时，放电管呈现良导体特性，可用于发射和接收无线电信号。这种射频激励等离子体的方式，激励维持时间长，对等离子体干扰小，等离子体寿命长，密度高达1017~1018m-3，已成为当今研发等离子体天线的主流技术。1999年前后，澳大利亚国立大学(Australian图9-3-2U形等离子体放电管隐身天线示意图图9-3-2U形等离子体放电管隐身天线示意图图9-3-3表面波单极驱动等离子体天线示意图图9-3-3表面波单极驱动等离子体天线示意图9.3.3等离子体天线的优点

等离子体