相控阵天线原理图
5G集成相控阵天线：设计,制造和测试
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.wendangku.net/doc/6d6767674.html,)and Shuai Ding(uestcding@https://www.wendangku.net/doc/6d6767674.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.wendangku.net/doc/6d6767674.html,/licenses/by/4.0/52359
相控阵天线的基础理论
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：
扫描法测量有源相控阵天线方向图及误差分析
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。
相控阵天线集成技术_彭祥龙
相控阵天线集成技术 彭祥龙 ( 西南电子技术研究所 成都 610036 ) 摘 要：低成本、更高频段与可扩展是推动相控阵天线集成技术发展的主要动力。本文综述了砖块式与瓦片式两种相控阵天线集成阵列结构，以及多功能芯片与射频晶圆集成技术的发展，指出开发多功能芯片是当前发展毫米波相控阵天线的重要途径。 关键词：相控阵天线，低成本，集成技术，多功能芯片，毫米波 Phased Array Antennas Integration Technology PENG Xiang-long （Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036） Abstract ：Low-cost ，higher frequency and scalability are the main impetuses to the development of phased array antennas integration technology. In this paper, the progresses in architecture of phased array antennas (brick-type and tile-type building blocks) and RF circuit integration technology (chips with multi-function and RF-wafer scale integration) are reviewed. Finally, it is pointed out that development of chips performing multi-function is an important way to develop millimeter-wave phased array antennas. Key words ：Phased array antennas, low cost, integration technology, multi-function chips, millimeter-wave 引 言 随着微电子与计算机技术的发展，相控阵系统逐渐应用于战术层面，如战斗机、直升机、无人机、精确制导等领域，通常工作于X 、Ku 与Ka 频段。这些武器平台空间狭小，自身价值有限或者雷达实际使用寿命很短，但是相控阵系统的战术技术指标要求却依然很高。大型天基通信与雷达探测也日益强调采用相控阵技术，成本虽非首要因素，但是体积、重量与功耗要求却非常苛刻。民用智能通信天线尤其关注成本控制。 相控阵天线是相控阵系统的核心部分，特别是两维有源相控阵天线，其集成水平决定了整个系统的性能与成本。工作频率愈高，每个阵元的面积（～λ2/4）愈小，集成度要求愈高。 传统的有源相控阵天线，当应用平台或者功能项目变化，需要扩大或者缩小阵列天线的口径时，除了要增加或减少T/R 组件的数量，还需要重新设计相控阵其它分系统，以适应射频、中频、数字信号与电源接口数量以及负荷能力的变化。开放式可扩展阵列天线，以子阵模块为基本单元，不仅封装了多个相控阵天线通道，还集成了相控阵其它分系统（如波束形成与幅相校正网络，电源、波束控制、频率源、波形产生等）的部分功能，大幅度减少接口类型与数量，实现模块化、通用化，提高可扩展性能。 过去十年间，单片微波集成电路迅速发展，在相控阵天线上得到广泛应用，提高了系统可靠性，减小了体积，降低了重量与成本。但是两维有源相 控阵仍然是代价不菲的，以机载有源相控阵雷达为例，迄今为止，仅仅美国换装了部分战斗机。在保证同样战技指标的条件下，提高相控阵天线集成度是降低成本最有力的措施。 相控阵天线集成阵列结构有两种：砖块式与瓦片式。电路集成技术由多芯片模块（MCM ）向多功能集成芯片与晶圆级单片相控阵发展。 1 阵列结构与封装 将多个通道在电路与结构上封装为一个整体，作为阵列装配的基础积木块或在线可更换单元（LRU ），是相控阵天线最基本的集成手段。基础阵列模块通常集成了多个T/R 组件，射频馈电网络，控制与直流偏置等电路；如果还集成了天线辐射阵元，可称为子阵。 相控阵天线集成的阵列结构有两种：基于砖块式线子阵的纵向集成横向组装；基于瓦片式面子阵的横向集成纵向组装。通常砖块式用于较高频段，瓦片式用于较低频段，但是还要兼顾相控阵天线的且间距小，功耗大，砖块式设计相对容易；通信系统的发射功率要求不高，阵元数少且间距宽，瓦片式集成难度比较小；而共形相控阵天线必须采用瓦片式集成技术。 子阵模块集成能够大幅度减少相控阵天线与波束形成网络、控制电路、电源组件等分系统之间的信号互联，降低损耗，提高效率与电磁兼容水平；减少机械装配结构件，降低重量；简化封装与装配程序，提高相控阵天线的测试性、维修性与可扩展性。在较高的频段，还有利于降低机械公差要求，
有源相控阵天线G-T测量及误差分析
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
光控相控阵中的真时延技术
光控相控阵中的真时延技术 发表时间：2016-12-06T16:34:30.140Z 来源：《基层建设》2016年19期作者：王媛董波徐建军 [导读] 摘要：20世纪80年代随着计算机技术、信号处理技术、光电子技术以及器件、材料、工艺的发展,相控阵技术的研究取得了实质性的进展,采用光学控制手段实现雷达波束扫描的光控相控阵雷达的研究也被提到日程上来。 陕西黄河集团有限公司设计所陕西西安 710043 摘要：20世纪80年代随着计算机技术、信号处理技术、光电子技术以及器件、材料、工艺的发展,相控阵技术的研究取得了实质性的进展,采用光学控制手段实现雷达波束扫描的光控相控阵雷达的研究也被提到日程上来。它不仅能克服传统相控阵雷达的缺点,还具有低损耗、无波束偏斜、扫描角度大、瞬时带宽等优点。同时这一领域的研究对无线通信技术、光通信技术、光存储技术、天文学也将产生深远的影响。本文分析了光控相控阵中的真时延技术。 关键词：光控相控阵；雷达；真时延技术； 为了提高相控阵雷达的抗干扰能力, 相控阵天线必须具有尽量大的带宽。要提高雷达对目标的分辨、识别能力, 解决多目标的雷达的成像问题, 相控阵雷达必须采用具有大瞬时信号带宽的信号。 一、工作原理 雷达微波信号外调制激光，将微波信号加载到光波上，之后，加载有微波信号的光波通过光纤传输，实现低损耗的天馈线。光波经过光环形器进入光延迟网络。进入光延时网络的光波，在经过波分复用器后，不同波长的光会进入不同的延迟通道。加载有微波信号的光波经过光／电转换后，微波信号即被解调出来，经过电放大后，由天线阵列发射出去。接收时，天线接收到的微波信号经过低噪放大之后，进行电／光转换，将微波调制到光载波，再进入光延时网络实现波束形成。进入光／电转换器，然后到达预处理单元。主要包括对微波信号的低噪放大、滤波及下变频处理，将Ｘ波段的微波信号下变频到中频，然后进行采样及量化。之后进入数据处理单元，完成雷达对目标的检测、识别等功能。在光控相控阵雷达的核心单元光延时网络部分，每一级延迟线包含Ｋ个光通道。单级延迟线结构由光开关、光环形器、波分复用器、光纤延迟线和光纤反射镜组成。假设进 入波分复用延时网络的波长为，波长间隔均匀且为常 数Δλ。第一级光纤延迟线通道线间真时延迟为ΔＴ（１）＝Δτ。通过设计并精确制作光纤延迟线长度，使第二级延迟线单元通道间间形成的真时延迟为ΔＴ（２）＝２Δτ。依此类推，在第Ｎ级延迟线单元中通道间形成的真时延迟为ΔＴ（Ｎ）＝２Ｎ－１Δτ。将基本单元通过环形器和光开关串联起来，形成连续、快速可调的多波长光波束成形延时网络。很显然，这种级数增长的延迟间隔，可以实现０～２（Ｎ－１）逐次变化的共２Ｎ种延迟组合，大幅增加了延迟能力和形成波束的数目。 二.光控相控阵中的真时延技术 1.轻质低功耗的波束合成。光控微波波束形成器是下一代相控阵雷达和智能天线的核心技术，它通过控制阵列中各微波链路的相位差或真延时差，使各微波辐射源的辐射场在远场的特定方向产生干涉极大，达到定向发射(或接收)的目的，它具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、带宽大、无波束倾斜等优点。人们对于相控阵雷达和智能天线的研究催生了光控微波波束形成技术的相关研究。光控微波波束形成技术是未来无线通信和军事领域的重要支撑技术，已成为各国研究计划的前沿课题与重点项目。目前，光波束形成技术应用主要包括以下几个方面:一是利用光电子和光纤传输技术简化阵列(相控阵) 天线控制信号的传输或实现阵列天线的分体设计。二是利用光电子技术对阵列天线的辐射单元或子阵进行幅度和相位控制。三是固态相控阵天线是相控阵天线技术的发展方向，T/Ｒ模块的实现是关键。利用光电子技术实现接收多波束网络。四是用于形成接收阵的 DBF 网络。五是利用光纤实现实时延时。六是用于常规阵列实现天线辐射孔径的幅相综合，尤其是高精度的相位综合，从而达到设计单脉冲阵列、超低旁瓣阵列、宽带阵列以及特殊赋形波束阵列的目的。 2.射频信号的光分配技术。射频信号的光分配技术是指ＲF 信号输入到 T/Ｒ组件之间的传输链路是通过光纤来实现的，特别是单模光纤网络在相控阵天线信号的分配中可以带来很多好处，比如说布局灵活，易于构造三维; 在同一光纤中将微波和数字信号混合传输，并且能够实现实时延迟兼容，具有非常宽的带宽; 再次，对多种阵列信号是否能以波分复用技术用同一网络来分配，这是光控相控阵雷达要解决的关键问题。 3.模拟信号传输技术。利用光子技术实现模拟信号的远距离传输，在满足低损耗要求的同时，能够避免相位漂移，实现大的动态范围以及低的噪声系数。对器件和制造工艺的要求比较高。要实现连续可调就必须有能实现多波长连续可调的高性能激光器,而且对色散光纤、平面波导的制作以及光栅本身的刻制、精确定位、连接都要求有较高的工艺和操作水平。通过波分复用和解复用器或者一个定时单元就可以将光载波传送到天线的发射端。 4.利用光子技术完成快速可调谐ＲF滤波。相控阵雷达工作频点可能需要根据战场实况进行自适应调整，为此可以选择滤波器组来实现，但是，一般的滤波器组具有体积大、质量大、功耗高等缺点不适于无人机等平台。希望基于光子技术的可调谐滤波器可以满足无人机的需求。另外，如何利用光纤的灵活性在天线部署时实现相位稳定性，并且获得网内的低损耗和低色散也是光控相控阵雷达的关键技术之一。希望在光的频域内实现天线波束形成所要求的移相操作，如此可以设想是否在将来能够实现在 L 和 X 两个波段同时工作的光电馈送的相控阵天线。国外的一些机构已经开始了这方面的研究可以预测采用集成光学技术的真延时结构必将成为研究的一个热点。 光控相控阵天线由于具有尺寸小、重量轻、功耗低、大带宽、高精度、高隔离度、小型化和高密度的优点，未来将可能适用于天基预警平台、太阳能无人机、舰载多功能射频系统等。宽带、大动态射频光链路，时钟、本振信号阵面光传输，射频光纤拉远和超宽带相控阵阵面光传输都将是光控相控阵发展的关键技术，这将大大提高未来雷达的性能。 参考文献 [1]张光义.相控阵雷达瞬时带宽的几个问题[J].现代雷达,2014,4:1- 10. [2]黄章勇.光纤通信用新型光无源器件[M].北京: 北京邮电大学出版社,2014. [3]何子述,金林,韩蕴洁,等. 光控相控阵雷达发展动态和实现中的关键技术[J].电子学报, 2015, 33(12):2191- 2195.
数字相控阵天线测试平台
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/6d6767674.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。
相控阵天线的基本原理介绍
相控阵天线的基本原理介绍 相控阵天线是目前卫星移动通信系统中最重要的一种天线形式，由三个部分组成：天线阵、馈电网络和波束控制器。基本原理是微处理器接收到包含通信方向的控制信息后，根据控制软件提供的算法计算出各个移相器的相移量，然后通过天线控制器来控制馈电网络完成移相过程。由于移相能够补偿同一信号到达各个不同阵元而产生的时间差，所以此时天线阵的输出同相叠加达到最大。一旦信号方向发生变化，只要通过调整移相器的相移量就可使天线阵波束的最大指向做相应的变化，从而实现波束扫描和跟踪。相控阵天线有相控扫描线天线阵和平面相控阵天线。图一 图一 N单元相阵 远区观察点P处的总场强可以是认为线阵中N个单元在P点产生的辐 射场强叠加：
图二线性相控阵天线 这一天线阵的方向图函数为： 图三平面相控阵天线 相控阵在快速跟踪雷达、测相等领域得到广泛的应用，它可以使主瓣指向随着通信的需要而不断地调整。相控阵为主瓣最大值方向或方向图形主要由单位激励电流的相对来控制天线阵。通过控制阵列天线中辐射单元的馈电相位改变方向图形状的天线。控制相位可以改变
天线方向图最大值的指向，以达到波速扫描的目的。在特殊情况下，也可以控制副瓣电平、最小值位置和整个方向图的形状。用机械方法旋转天线时，惯性大、速度慢，相控阵天线克服了这已缺点，波速的扫描高。它的馈电相一般用电子计算机控制，相位变化速度快，即天线方向图最大值指向或其他参数的变化迅速。这是相控阵天线的最大特点。 一般相控阵天线应对每一辐射单元的相位进行控制。为了节省移相器和简化控制线路，有时几个辐射单元共用一个移相器。相控阵天线的关键器件是移相器和天线辐射单元。移相器分连续式移相器和数字式移相器两种。连续式移相器的移相值可在0°～360°范围内连续变化，数字式移相器的移相值是离散的，只能是360×(1/2)^n的整数倍，移相器应保证在一定的频率范围内获得所需要的移相值。天线辐射单元的设计应使一定移相范围内和一定频率范围内的输入阻抗的变化尽可能小，以保证发射机正常工作，防止由于射频信号的多次反射而出现寄生副瓣和方向图中出现凹点的现象。相控阵天线的馈电方式分传输线馈电和空间馈电两种。在传输线馈电方式下，射频能量通过波导、同轴线和微带线等微波传输线馈给辐射单元。在空间馈电方式下，发射机产生的射频能量通过辐射装置辐射至自由空间，传输一段距离后由一个接收阵接收，接收阵的每个单元或一组单元所接收到的信号，经过移相器移相后再馈给发射阵的发射单元并辐射出去。 相控阵天线阵列本身的设计主要是幅度、相位分布设计和单元阻
天线理论与技术课程设计
天线理论与技术课程设计报告 课程名称 均匀直线阵 专 业 通信工程 班 级 班 学 号 姓 名 指导教师 2015年5月8日
一、实验目的： 1. 了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数 2. 运用MATLAB仿真阵列天线的方向图曲线 3. 变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系 二、实验环境： MATLAB8.0，WIN8.1系统 三、实验原理： 单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力，可以采用天线阵(Arrays)。天线阵就是将若干个单元天线按一定方式排列而成的天线系统。排列方式可以是直线阵、平面阵和立体阵。实际的天线阵多用相似元组成。所谓相似元，是指各阵元的类型、尺寸相同，架设方位相同。天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量和。只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的、更强的方向性。 1. 阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并 通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和—矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。 2. 方向图乘积原理：天线阵的合成方向图等于单元天线方向图与阵列因 子的乘积。 方向图乘积定理
f(θ,φ)=f1(θ,φ)×fa(θ,φ) （3-1） 上式表明，天线阵的方向函数可以由两项相乘而得。第一项f1(θ,φ)称为 元因子（Primary Pattern ），它与单元天线的结构及架设方位有关；第二项fa(θ,φ)称为阵因子（Array Pattern ），取决于天线之间的电流比以及相对位置，与单元天线无关。方向函数（或方向图）等于单元天线的方向函数（或方向图）与阵因子（或方向图）的乘积，这就是方向图乘积定理。 已知对称振子以波腹电流归算的方向函数为： ()cos(cos )cos()()60/sin m E kl kl f I r θθθθθ -== （3-2） 将l=0.25λ代入式上式可得半波振子的方向函数为： cos(cos )2()sin F π θθθ = （3-3） 如果均匀直线阵的单元天线为半波阵子的话，此即为元因子。 3. 均匀直线阵,就是所有单元天线结构相同，并且等间距、等幅激励而相 位沿阵轴线呈依次等量递增或递减的直线阵。如下图所示,N 个天线元沿y 轴排列成一行，且相邻阵元之间的距离相等都为d ，电流激励为I n =I n-1e j ξ(n=2,3, :,N)，根据方向图乘积定理，均匀直线阵的方向函数等于单元天线的方向函数与直线阵阵因子的乘积。 在实际应用中，不仅要让单元天线的最大辐射方向尽量与阵因子一致， 而且单元天线多采用弱方向性天线，所以均匀直线阵的方向性调控主要通过调控阵因子来实现。因此本实验讨论主要针对阵因子，至于均匀直线天线阵的总方向图只要将阵因子再乘以单元天线的方向图就可以得到了。 图4-1 均匀直线阵坐标图
天线理论与技术答案
天线理论和技术答案 【篇一：《天线和电波传播理论》试卷及答案】 (1) 103.8 khz= hz=mhz； (2) 0.725 mhz= hz=khz．。 3、半波振子的方向函数为，方向系数为。 4、maxwell提出的电 流的概念，使在任何状态下的电流都可保持连续，并且指明电流和 电流是产生涡旋磁场的源。 5、坡印廷矢量的大小代表，其单位为，其方向代表，瞬时坡印廷 矢量的表达式为 。 6、任一线极化波都可分解为两个振幅、旋向的圆极化波，任一圆 极化波都可分解为两个振幅、相互且相位的线极化波。 二、单项选择题：（每小题2分，共20分） 1. 我国的卫星通信技术拥有自主知识产权，在世界处于领先地位.在 北京发射的信号通过通信卫星会转到上海被接收.实现这种信号传递 的是( ) a.超声波 b.次声波 c.声波 d.电磁波 2. 关于电磁波的传播，以下说 法正确的是（） a．只能在真空中传播 b．在水中不能传播 c．可以在很多介质中传 播 d．只能在空气中传播 3．微波炉中不能使用金属容器，这主要 是因为（） a．金属易生锈，弄脏炉体 b．金属容易导电，造成漏 电事故 c．微波能在金属中产生强大的电流，损坏微波炉d．金属易传热，使炉体温度过高 4．下列说法正确的有（）
a．频率越低的电磁波的波长越短b．频率越高的电磁波传播速度越快 c．频率越低的电磁波传播速度越快 d．频率越高的电磁波的波长越短 5. 在2003年4月的伊拉克战争中，美英联军在战争中使用电子干扰取得了很好的效果，争取到了战争的主动权，电子干扰具体地说就是（） a．对敌方发射电磁波 b．对敌方发射很强的电磁波c．对敌方发射频率很高的电磁波 d．对敌方发射和敌方电子设备工作频率相同的电磁波，施放反射电磁波的干扰波 6. 对极化强度为的电介质，束缚体电荷密度为＿＿＿＿＿ a. b. c. d. 7. 是 a. 左旋圆极化 b. 左旋椭圆极化 c. 右旋圆极化 d. 右旋椭圆极化 8. 在两种不同介质（）的分界面上，电场强度的切向分 量 a. 总是连续的 b.总是不连续的 c. 可能连续也可能不连续 d. ， 时连续 第 1 页共 3 页 9. a. c. 入射方向矢量为 b.d.
浅述相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务
浅述相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务 摘要现阶段我国科学技术发展速度的不断加快，为天线波束研究水平的逐渐提升提供了重要的技术支持。实践过程中为了实现天线波束的定向控制，需要充分地发挥出相控阵天线波束控制优势，并了解其基本原理及波控系统的任务，优化该系统实践应用中的服务功能。基于此，本文就相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务展开论述。 关键词相控阵天线波束；控制；基本原理；波控系统；任务 结合当前的形势变化，注重相控阵天线波束控制的基本原理及波控系统的任务分析，有利于提升天线波束实践应用中的控制水平，最大限度地满足雷达扫描的实际需求，从而为雷达扫描技术所需的波控系统性能优化提供科学保障。因此，需要加强天线波束控制的基本原理分析，提高对其相关的波控系统任务的正确认识，使得天线波束应用成本得以降低。 1 相控阵天线波束控制的基本原理分析 实践过程中结合相控阵雷达的要求，注重天线波束控制方式的合理使用，有利于保持良好的雷达扫描效果，丰富其所需的扫描技术内涵。因此，需要根据实际情况，从不同的方面入手，加强相控阵天线波束控制的基本原理分析，从而为其使用中实际作用的充分发挥提供保障。具体表现在以下方面： 借助计算机网络与信息技术的优势，结合相控阵天线波束的功能特性，在其控制作用发挥中需要确定相应的空间位置，并了解其跟踪情况，最终通过计算机三维空间的动态模拟分析作用，得到所需的相控阵天线波束在雷达扫描控制中的方位角与仰角初始值，并对相控阵雷达阵面中的天线元对应的相位值进行分析。此时，为了达到移相的目的，需要注重性能可靠的移相器使用，并处理好波控系统运行中产生的波控码。当这些举措实施到位后，有利于实现相控阵天线定向，确定相应的波束方向。 （2）在确定天线元所对应的相位值过程中，需要在单元集中配相法與初始向量计算方式的共同作用下予以应对，且在行列分离方法的作用下，确定相控阵天线波束控制中所需的平面阵列。当天线元所对应的相位值确定后，则可通过计算机系统的作用，得到相应的点阵相位值。 基于相控阵天线波束控制下的雷达扫描，在保持其良好的移相器计算位数作用效果过程中，可借助虚算方式的优势，确定移相位数，确保移相器应用有效性[1]。 2 实践中的相控阵天线波控系统的设计分析 为了实现对雷达扫描过程的科学控制，保持其扫描技术良好的应用效果，则
相控阵天线方向图推导及仿真
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