阵元排布对线性阵列天线的影响分析

阵元排布对线性阵列天线的影响分析

作者：高 海,郭红霞

来源：《现代电子技术》2010年第17期

摘 要:线性阵列作为智能天线的一种阵元排布方式,在第三代移动通信中有着特殊的应用。在相同阵元个数的情况下,采用Matlab软件对均匀线阵、约束最小冗余线阵和最优哥伦布线阵的角度分辨能力和主瓣宽度进行仿真比较。仿真结果表明,最优哥伦布线阵可以获得更佳的角度分辨能力和更窄的主瓣宽度,但是会引起方向图旁瓣电平的升高。 关键词:阵元排布; 均匀线阵; 约束最小冗余线阵; 最优哥伦布线阵 中图分类号:TN82-34文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2010)17-0103-02

Impact of Array Element Arrangement on Linear Array Antenna GAO Hai, GUO Hong-xia

(College of Energy Engineering, Yulin University, Yulin 719000, China)

Abstract: As a method of element arrangement in smart antenna, linear array plays a special main lobe width of uniform linear array, restricted minimum redundancy linear array and optimum Columbus linear array are simulated and compared by using Matlab in the condition of same array element number. The simulation result shows that optimum Columbus linear array can get better angle resolving capability and smaller main lobe width, but it can result in the increase of side lobe level. Keywords: array element arrangement; uniform linear array; restricted minimum redundancy linear array; optimum Columbus linear array 0 引 言

智能天线作为第三代移动通信的关键技术之一得到了深入的研究,然而研究人员把目光更多地放在圆形阵列等一些几何结构更复杂的阵列上,这是因为一维的线性阵列只能提供-π/2~+π/2范围内的方向角,不能提供水平面2π范围内的扫描能力[1-2]。但是,当用户信号的空间分布被在较小的范围内而无需扫描整个水平面时,线性阵列天线正好克服了线阵在大角度时的指向差的缺点[3]。

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1 线性阵列天线 1.1 均匀线阵

均匀线阵是阵元等间距的排布在一条直线上形成的天线阵列。假设有P个互不相关的远场信号源

分别从波达方向为θ1,θ2,…,θP的角度入射到阵元个数为N均匀线阵

上。这时,阵列第k个阵元的输出可表示为 式中

-j2πλ(k-

为阵元间距,通常取入射信号波长的二分之一;si(t)为入射到均匀线阵上的第i个源

的加性白噪声,且不同阵元之间的

信号;nk(t),k=1,2,…,N,是第k个阵元上的均值为0,方差为噪声互相,方差相等。 1.2 约束最小冗余线阵

约束最小冗余线阵最早是由Alan T.Moffet提出的。因为在一维的线阵中,均匀线阵存在着大量的阵列冗余,阵列孔径效率非常低[4-5]。在相同阵元个数的情况下,约束最小冗余线阵可以获得比均匀线阵大得多的阵列孔径,从而提高了阵列的波达角估计能力。

通常,约束最小冗余线阵都是采用计算机穷举搜索法求得的。表1中给出一些约束最小冗余线阵的归一化阵元排布。需要说明的是,表中列出的约束最小冗余线阵的排布方式并不是惟一的。

1.3 最优哥伦布线阵

最优哥伦布线阵[6]被定义为一组整数数列 2 仿真试验

假设有阵元个数同为5的均匀线阵、约束最小冗余线阵和最优哥伦布线阵的阵元位置分别为

和D=0.5λ×[0,1,4,9,11]。如果让这三种线性阵

列的波束分别指向为0°,30°,60°,70°和80°时,它们的波瓣宽度如图1所示。 表1 约束最小冗余线阵的归一化阵元配置 阵元个数阵列孔径阵元位置 100 210 1

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330 1 3 460 2 5 6 590 1 2 6 9 6130 1 2 6 10 13 7170 1 2 6 10 14 17 8230 1 2 11 15 18 21 23 9290 1 2 14 18 21 24 27 29 10360 1 3 6 13 20 27 31 35 36 表2 一些已知的最优哥伦布标尺 刻度个数长度刻度位置 100 210 1 330 1 3 460 2 5 6 5110 1 4 9 11 6170 1 4 10 12 17 7250 1 4 10 18 23 25 8340 1 4 9 15 22 32 34 9440 3 9 17 19 32 39 43 44 10550 1 6 10 23 26 34 41 53 55 图1 三种线阵的波束指向比较 3 结 语

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从仿真图中可以看出,在这三种线性阵列中最优哥伦布线阵的波束指向最好,约束最小冗余线阵次之,均匀线阵最差,但是最优哥伦布线阵的波束指向好于其他线阵是以旁瓣电平的升高为代价的。 参考文献

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[3]邵丽君,赵淑清.非均匀阵列天线超分辨测向性能分析[J].天线技术,2005,35(10):43-46. [4]MALLOUX Robert J. Phased array antenna handbook[M]. Boston: Artech House,2005. [5]DIMITROMANOLAKIS Apostolos. Analysis of the Golomb rulers and the Sidon set

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[6]刘学斌,韦岗.移动通信带状网中智能天线的设计[J].电讯技术,2004(5):14-18.