MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用第9章 天线及智能天线仿真试验ppt课件.ppt

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1、第9章天线及智能天线仿真试验9.1全向天线的波束下倾9.2天线阵的波达方向估计9.3天线阵的波束形成9.1全向天线的波束下倾9.1.1全向天线的波束下倾的基本原理广播用的发射机天线建在天线塔上，希望覆盖广大的地域。在覆盖区的边沿，由于距离远，地球表面弯曲，电磁波场强衰减很快，因此为了有效地覆盖既定的区域，保证区域内场强不低于特定的值，通常采用波束下倾的方法，将轴向排列的半波振子天线，通过调节天线的轴向间距、馈电的相位，使得轴向天线阵列的方向图实现波束下倾。图9-1所示是轴向排列的半波振子天线的结

2、构图。阵元之间的距离是d，垂直轴线与电磁波辐射方向的夹角是θ，相邻阵元馈入信号的相位差是α，相邻阵元发出电磁波到达同一地点的程差是dcosθ，相邻阵元发出电磁波到达同一地点的相位差参看公式(9-1)。(9-1）图9-1轴向排列的半波振子天线阵元间的相位差9.1.2仿真实现根据以上讨论，编写出绘制轴向排列天线阵列的方向图的程序。程序9-1%均匀轴向排列（8阵元）线状天线阵lam=1;%波长t=［0:.01:2*pi］;d=.6;%阵元间距a1=-1;%阵元馈入信号的相位差即αps=（d*2*

3、pi*cos（t）/lam）-a1;%阵元发出电磁波到达同一地点的相位差f=abs（1+（exp（j*（ps）））+（exp（j*2*（ps）））+（exp（j*3*（ps）））+...（exp（j*4*（ps）））+（exp（j*5*（ps）））+（exp（j*6*（ps）））+（exp（j*7*（ps））））;%8阵元信号的叠加，然后取绝对值T=t+pi/2;polar（T，f)%绘极坐标图程序运行后得出的方向图如图9-2所示。图9-2轴向阵列波束下倾的仿真图9.2天线阵的波达方向估计9

4、.2.1原理全向天线不仅利用率不高，而且对各种信号不加区别地接收，降低了通信质量。定点无线通信采用定向天线，大幅度地改善了通信质量。面对众多移动用户的公众通信网基站和专用移动通信网，采用天线指向即波束可变的天线（智能天线），可以使移动通信的通信质量得到很大的改善。为使天线的波束指向可控，甚至形状可控，采用阵列天线是合适的。在距离通信源足够远的空间里，可以将到达的电磁波视为平面波。对于等距离直线阵天线，由于调制在载波上的基带信号码元宽度与波速的乘积远大于天线阵列的尺寸，因此多个天线阵元上的信号的幅度可视

5、为不变，而它们的载波的相位差则取决于其相互位置、尺寸、波长和到达方向。图9-3所示是智能天线的原理框图。天线接收的无线电信号中有许多成分，其中有我们关心的S信号。天线阵列各个阵元接收的电磁波信号因为阵元排列位置的不同带来相位差。经过特定参数的加权控制器w处理后，进一步改变了各个阵元输出信号的相位和幅度。处理的目标是使得阵元输出的信号和Y中的S成分具有最大输出。用S信号作为基准信号，反馈控制单元的功能就是将输出信号Y与基准信号S的差值（即误差信号ε），作为调节控制加权控制器w参数的依据。反馈控制的结果是使

6、ε减小，Y中的S成分加大,也就是说,天线阵列接收方向图指向了S信号的方向。图9-4所示是等距离直线阵智能天线的原理框图，图9-5所示是等距离直线阵的三维图。图9-3智能天线原理框图图9-4均匀直线阵原理图图9-5均匀直线阵三维图以下通过两个简单的例子介绍智能天线中波达方向估计和波束形成的原理。在图9-4中，我们把天线阵元沿x轴排列，从0到M-1。若有一平面波以θ角（入射线与z轴的夹角）和角（入射线与x轴的夹角）入射到阵列上，第K号阵元上产生的信号为xK，它与0号阵元的相位差是［29］：式中，λ与d分别是

7、入射波的波长和阵元的间距，AK亦称阵因子。计入阵因子的影响，第K号阵元的输出是AKxK，即uK。为了使天线阵的输出满足需要，在每个阵元上，用加权因子wK进行控制。这样第K号阵元上输出的信号为wKAKxK，即wKwK。若到达天线阵的信号是N个，则天线阵的输出是N个信号在M个阵元上的输出的叠加。将问题简化为xy平面的二维问题（sinθ=1），并用解析式表达如下：X(n)=［x1(n),x2(n),…，xN(n)］(9-2）其中，为第1个信号的入射角。A=［A1,A2,…,AN］(9-4）W=［W

8、1,W2,…,WM］(9-5）y(t)=WHAXH=WHU(9-6）其中，U=［u0,u1,…,uM-1］H。求多个信号到达的方向（波达方向）的方法有多种，下面讨论其中的两种方法及其仿真试验的结果。9.2.2求波达方向估计的方法1.Capon法Capon法亦称最小方差无畸变响应MVDR（MinimumVarianceDistortionLessResponse）。天线阵列中的阵元数决定了阵列方向图设计中的自由