阵列天线设计流程与高级培训
《移动通信多频阵列天线设计与阵列优化》范文
《移动通信多频阵列天线设计与阵列优化》篇一一、引言随着移动通信技术的快速发展，用户对无线通信系统的性能和可靠性提出了更高的要求。
移动通信多频阵列天线是无线通信系统中至关重要的部分，它对系统性能和用户体验产生深远的影响。
因此，本论文旨在研究移动通信多频阵列天线的优化设计，以提高其性能和可靠性。
二、多频阵列天线设计1. 需求分析在设计多频阵列天线时，首先需要明确其应用场景和需求。
这些需求包括工作频率、增益、极化方式、波束宽度等。
针对不同的需求，设计出不同的阵列结构和天线单元。
2. 阵列结构选择多频阵列天线的阵列结构是影响其性能的关键因素。
常见的阵列结构包括线阵、面阵等。
选择适当的阵列结构，可以有效地提高天线的增益和波束指向性。
3. 天线单元设计天线单元是多频阵列天线的基本组成部分。
根据应用需求和阵列结构，设计出不同形状和尺寸的天线单元。
同时，要保证天线单元在多个频率上具有良好的性能。
三、阵列优化方法1. 遗传算法遗传算法是一种优化算法，通过模拟自然进化过程，对多频阵列天线的阵元位置、相位差等参数进行优化。
这种方法可以有效地提高天线的性能和可靠性。
2. 神经网络算法神经网络算法是一种机器学习方法，可以用于预测和优化多频阵列天线的性能。
通过训练神经网络模型，可以找到最优的阵列结构和参数组合，从而提高天线的性能。
四、实验与结果分析为了验证所设计的多频阵列天线的性能和优化效果，我们进行了实验测试和分析。
首先，我们设计了不同结构的天线单元和阵列结构，然后通过仿真和实测的方式对天线的性能进行了评估。
实验结果表明，经过优化的多频阵列天线在多个频率上具有较高的增益和良好的波束指向性。
同时，我们还对遗传算法和神经网络算法的优化效果进行了比较，发现这两种方法都可以有效地提高天线的性能和可靠性。
五、结论与展望本论文研究了移动通信多频阵列天线的优化设计，通过选择适当的阵列结构和天线单元，以及采用遗传算法和神经网络算法等优化方法，提高了天线的性能和可靠性。
通信系统的天线阵列设计与性能优化
通信系统的天线阵列设计与性能优化随着通信技术的快速发展，无线通信系统中的天线阵列设计和性能优化变得越来越重要。
天线阵列是一种由多个天线组成的系统，可以提高通信系统的传输速率、信号质量和系统容量。
本文将介绍通信系统中的天线阵列设计原理和性能优化方法，并探讨其在实际应用中的优势和挑战。
一、天线阵列的设计原理天线阵列是通过将多个天线组合在一起来形成一个整体的天线系统。
它通过控制每个天线元素的相位和振幅来实现波束形成、空间多址和信号传输增益。
天线阵列设计的主要原理包括以下几个方面：1. 平面阵列设计：平面阵列天线通常由均匀排列的天线元素组成。
通过控制天线元素之间的距离和相位差，可以实现主波束的形成和辐射方向的控制。
常见的平面阵列设计包括线性阵列、矩形阵列和圆形阵列等。
2. 自适应波束形成：自适应波束形成是一种利用数字信号处理技术对接收到的信号进行处理的方法。
通过根据接收到的信号强度和相位信息来实时调整天线阵列的权重和相位，从而最大化接收信号的信噪比。
自适应波束形成可以提高信号的接收质量和降低多径效应对信号的影响。
3. 空间多址技术：空间多址技术是一种利用天线阵列的空间选择性传输信号的方法。
通过将不同发送用户的信号编码到不同的空间角度或波束中，可以实现在同一个频谱资源上传输多个信号。
空间多址技术可以提高系统容量和频谱效率，降低互干干扰。
二、性能优化方法为了进一步提高通信系统中天线阵列的性能，可以采取以下优化方法：1. 波束赋形算法：波束赋形算法是一种用于确定天线阵列权重和相位的优化算法。
通过建立系统性能模型，并结合天线阵列的约束条件和系统需求，可以设计出最佳的波束赋形算法。
常用的波束赋形算法包括最小均方误差算法、线性约束最优化算法和基于梯度的算法等。
2. 多路径信号处理：多路径信号是通信系统中常见的问题之一，它会导致信号的多径衰落和时延扩展。
通过采用多路径信号处理算法，如欠采样和超分辨率重构算法，可以减小多径效应对通信系统性能的影响，提高信号的接收质量和系统容量。
第十六讲_阵列天线
n=0
均匀直线阵
阵列方向函数的幅度：
Nϕ sin 2 fα (α ) = ϕ sin 2
fα (α ) max Nϕ sin 2 = =N ϕ sin 2 ϕ =0
Fα (α ) max
Nϕ N sin sin (ψ + kd cos α ) 1 2 = 1 2 = N N ϕ 1 sin sin ψ + kd cos α 2 2
2、
π
d=λ
fα (α ) = 2 cos ψ + kd cos α） 2 （ /
π 2π d = 2 cos （ + cos α）= 2 cos （ + π cos α） 4 λ2 4
π
均匀直线阵
1、定义：N个阵列单元以相同的间距排列在一条直线上构成 的阵列。若阵列单元的激励幅度相等相位依次等幅递增，称 为N元直线阵列。 N 2 1 2、阵列方向函数： ϕ = ψ + kd cos α E1 = E1m I1 jnψ E n = E1e jnψ e jknd cosα = E1e jnϕ I n = I1e
= E1m F(α ) fα (α ) E=E1 + E 2
= E1m f阵列
方向图乘积定理：f阵列 = F(α ) fα (α )
阵元相似性：天线形式一致，辐射场形式一致 阵列单元辐射场的坐标要和阵列一致 方向图乘积定理可以推广到多元阵列 阵列单元不同：幅度和相位以及排列位置 阵列因子
F(α ) =1 f阵列 fα (α ) →
总的辐射方向函数为：
F总 =F(θ )fα x (α ) fα z (θ ) 3 sin (ψ + kd cos α ) 2 = sinθ sin ( k2h cos θ ) sin ( kh cos θ ) )
天线技术天线技术(第七部分 天线阵列)5.7 第七章 天线阵列
图 天线阵的H面方向图
§4.7.1 天线阵的方向性
FE ( )
cos( cos )
2 sin
cos
4
(cos
1)
图 天线阵的 E面方向图
§4.7.2 天线阵的阻抗
当两个以上的天线排阵时，某一单元天线除受本 身电流产生的电磁场作用之外，还要受到阵中其它天 线上的电流产生的电磁场作用。有别于单个天线被置 于自由空间的情况，这种电磁耦合（或感应）的结果 将会导致每个单元天线的电流和阻抗都要发生变化。 此时，可以认为单元天线的阻抗由两部分组成，即一 部分是不考虑相互耦合影响时本身的阻抗，称为自阻 抗；另一部分是由相互感应作用而产生的阻抗，称为 互阻抗。对于对称振子阵，互阻抗可以利用感应电动 势法比较精确地求出。
R1 y
x
(a) 纵向二元阵
§4.7.1 天线阵的方向性
E
E1
E2
60I m1 r
fe , e jkr1 1 me j d cos
E1 1 me j d cos
E1 fa ,
天线阵因子
推广——天线阵的方向函数为 ：
Prf 1
1 2
I *m1U1
U1 I Z m1 11 Im1Z12
Prf 2
1 2
I
* m
2U
2
U 2 Im2Z22 Im2Z21
Zr1 Z11 Z12
Zr2 Z22 Z21
Z12
I m2 I m1
Z12
Z 21
I m1 Im2
Z 21
U1 Im1Z11 Im2Z 12
天线培训资料
频率范围
• 偶极子的工作性能与其长度和波长的匹配有关：
Optimum 1/2 wavelength for dipole at 850MHz
at at 820 890 MHz MHz
天线偶极子
820 MHz的1/2波长 ~ 180mm, 890 MHz的1/2波长 ~ 170mm 天线应取值在 ~ 850MHz - 175mm
• 为了使业务区内的辐射电平更均匀，下副瓣第一零点需要填充， 不能有明显的零深。通过垂直平面的余割平方赋形波束设计，可 以消除主瓣下方的零点，从而使所需覆盖区域有相等的接收信号 电平。该技术也称为零点填充技术。
• 高增益天线由于其垂直波束宽度较窄，尤其需要采用零点填充技 术来有效改善近处覆盖。 通常零深相对于主波束大于-26dB即表 示天线有零点填充，有的供应商采用百分比来表示，如某天线零 点填充为10%，这两种表示方法的关系为：
1000mW (ie 1W)
隔离度 10log(1000mW/1mW) = 30dB
天线培训资料
1mW
一种典型的天线参数特性
– 频率范围
MHz
– 带宽
MHz
– 增益
dBi
– 极化方向
– 电阻
– 回波损耗
dB
– 半功率 角(3dB)
水平
°
垂直
°
– 前后比
dB
– 上副瓣抑制
dB
– 下副瓣抑制
dB
– 电子下倾角 (可调)
天线培训资料
极化
天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向
垂直极化 + 45度倾斜
水平极化
- 45度倾斜
天线培训资料
水平极化和垂直极化的比较
多功能阵列天线的设计与性能测试
多功能阵列天线的设计与性能测试随着无线通讯技术的不断发展，天线作为无线通讯系统中一项重要的组成部分，也不断得到了改进和升级。
阵列天线是一种具有优异性能和多功能性的天线，它由许多天线元件组成，并通过复杂的网络相互连接。
在各种通讯系统中广泛应用，包括卫星通信、雷达、无线电、移动通信等领域。
本文将就多功能阵列天线的设计与性能测试进行探讨。
一、多功能阵列天线的设计1. 阵列天线的组成阵列天线就像是由许多单独的天线组成的一个整体，每个天线单元用来接收或发送电磁波信号。
它的作用是将许多天线单元相互连接，形成具有方向性的辐射图案，以实现传输或接收指定方向的信号。
常见的阵列天线包括线性阵列天线、方阵天线、圆阵天线等，实现的方向性和增益都不同。
2. 多功能阵列天线的设计多功能阵列天线是为了满足不同通信需求而设计的，通常包括多种形式的阵列天线。
因此，在多功能阵列天线的设计中，需要考虑更多的因素：天线单元的方向性、天线单元电气长度与频率的匹配、天线阵列的相位调控和大范围的波束转向等。
不仅如此，多功能阵列天线还需考虑应用需求和环境条件，例如：天线阵列的设置位置、使用场合、工作频段、获得多个天线模式的方式、天线单元和整个天线系统的尺寸、重量等。
不同的应用领域，所需要的多功能阵列天线也不同。
二、多功能阵列天线的性能测试1. 天线发射功率测试通过发射功率测试可以确保天线输出的功率可靠并符合硬性要求。
测试时需要使用功率计和信号发生器，并根据不同系统的规定设置测试参数，例如发射功率、工作频率、频偏等。
2. 天线接收灵敏度测试天线接收灵敏度通常用于测试天线单元的接收能力。
测试时需要使用频谱分析仪等测试工具，将信号通过天线输入到频谱分析仪中，以确定天线的接收能力和灵敏度。
3. 天线阻抗匹配测试天线的阻抗匹配是天线工作正常的其中一个重要参数。
若天线的阻抗不匹配，将导致天线的实际输入功率与天线输入功率不一致，在天线的使用中会造成一些问题。
微波天线的多级阵列优化设计
微波天线的多级阵列优化设计微波天线的多级阵列是一种常见的大功率微波天线，因其强大的发射功率和优良的性能而广泛应用于通讯、雷达、卫星等领域。
多级阵列的设计与优化是实现微波技术应用的重要环节，本文将从多级阵列的结构、阵列单元、辐射特性等方面进行讨论，探究微波天线多级阵列的优化设计。
一、多级阵列的结构微波天线的多级阵列通常采用平面阵列的结构，它由若干个平面辐射单元构成。
每个平面辐射单元相互平行排列，形成一个平面矩形阵列。
多级阵列的辐射单元一般为有源天线或无源天线，通过复杂的控制电路进行驱动。
多级阵列的结构如图1所示。
二、阵列单元的设计阵列单元的设计是多级阵列优化的重要环节。
阵列单元的基本特征包括工作频率、驻波比、阻抗匹配、辐射方向及辐射效率等。
优化阵列单元的设计，可以有效提高多级阵列的性能。
首先，设计合适的辐射单元，选择合适的天线结构对于提高天线的辐射性能非常重要。
其次，在阵列单元的设计中，应当考虑阵列单元的大小、排布方式等，以使得各单元间的互相干扰降至最小。
同时，阵列单元的输入阻抗也需要进行均匀匹配，这样可以有效提高阵列单元的性能。
三、多级阵列的辐射特性多级阵列的辐射特性包括辐射方向性、增益、波束宽度等，这些特性决定了多级阵列的辐射能力及覆盖范围。
多级阵列的辐射特性优化，可以提高阵列的功率输出和覆盖范围。
首先，调整阵列单元的相位和振幅可以改变辐射方向，从而实现波束的调整和聚束。
其次，通过优化阵列单元的间距、数目和分布，可以实现对天线波束宽度的控制和调整。
最后，控制天线的功率输出可以调整增益，从而实现天线的放大与缩小。
四、多级阵列的优化设计在优化多级阵列设计时，需要考虑多种因素，包括天线的频率响应、阵列单元数量、天线放置方式等。
一般来说，优化设计可以从下列几个方面进行展开：1. 选择合适的阵列单元及形式，如对辐射特性要求较高的应选择与波长对应的天线，对辐射特性要求相对较低可以采用其他形式的天线。
2. 通过选取合适的天线阵列单元，控制天线的相位、功率等参数，以实现辐射方向、增益、波束宽度等的调整和控制。
4_TD-SCDMA高级培训教材之四 智能天线
内容概述规范2概述概述网络线V1.9.267<;7>?@ABCDEFGHUV,-./QRSTIWXYZ[\];进一步通过网络运营验证/企标中的部分指标有待3内容概述规范4规范提纲-15规范提纲-26规范提纲-3机械性能指标要求§共同指标要求§4/6/8path指标要求7规范提纲-4可靠性要求天线美化要求§美化原则§天线美化类型及要求8内容概述规范9智能天线原理介绍：Ø 没有“智能”的天线.Ø 只有“智能”的天线系统. 智能天线系统的组成：1. 天线阵列，2.使天线系统智能化的数字信号处理算法。
10TD系统的智能天线系统架构 11 © 2006CNTTR. All Rights Reserved.TD系统无线网络设计的新特点空间方向性能量集中降低干扰增大覆盖提高容量经济定位方式 12 © 2006CNTTR. All Rights Reserved.传统天线和智能天线的对比-定向定向天线的对比传统天线的广播波束传统天线的业务波束智能天线的广播波束 © 2006CNTTR. All Rights Reserved. 智能天线的业务波束13传统天线和智能天线的对比-全向全向天线的对比传统天线的广播波束传统天线的业务波束智能天线的广播波束 © 2006CNTTR. All Rights Reserved. 智能天线的业务波束14智能天线圆阵和线阵的比较圆阵天线赋形效果更稳定，线阵天线赋形效果随方向有更恶化的趋势 15 © 2006CNTTR. All Rights Reserved.智能天线发射波束形成 DBF 16 © 2006CNTTR. All Rights Reserved.TD-SCDMA智能天线算法介绍波束扫描法（GOB）将整个空间分为L个区域，并为每个区域设置一个初始角度。
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优化单元匹配
蜘蛛图可提供一种优化单元匹配的便捷方法
• 在Smith Chart上显示若干
频点上输入阻抗在扫描空间 内的变化
• 当Smith圆图的圆心位于所
有曲线中心时，为最理想 的匹配效果
F = 90o Scan Plane
10dB RL Circle
F = 90o plane at 11GHz violates the 10dB Return Loss requirement and cannot be resolved by improving the element’s match
generating initial model
• Facilitates parametric sweeps and
optimizations
Synthesis feature for each antenna
• Automatically generates physical
dimensions for desired frequency
setup, and post-processing reports for 50 common antenna elements
• Assists in learning to use HFSS for
antenna design
Parametric antenna geometry
• Easily modify parameters in HFSS after
Floquet Port Slave Master
天线单元采用微带T线馈电，设置为波端口
在辐射场上方采用Floquet端口
可结合Optimetrics模块中对相角 (qs,fs) 的参数 化扫描来预评估扫描盲区
Floquet 模式介绍
Floquet 模式将天线阵的辐射场分解为一组向各个方 向传播的平面波之和 • 类似于波导模式，将波导内的场分解为TE和TM模式 • TE Floquet 模式是 f 极化平面波 • TM Floquet 模式是q 极化平面波 • 随天线阵的工作模式不同，有的场模式是传输的，有的呈消逝模
Reduced Gain in the E-Plane Scan Blindness E-Plane & H-Plane
有源阵中单元方向图的频率扫描特性
Gain Reduction at (f,) = (90o,50o)
栅瓣预测
栅瓣图中显示了f = 0 和 f = 90 度平面上可能出现的栅瓣.
BFN
Input
I
天线阵列
Amp
Circulator
0
50
6）通道宽带化设计 7）大功率射频发射模块：TWT, 铁氧体移相器，PA（无源） 8）基于MMIC的T/R模块（有源相控阵） 9）天线信号处理与DBF技术（有源相控阵）
1）单元超宽带设计 2）阵列高增益、低副瓣 3）方向图赋形 4）扫描盲区预评估 5）低天线RCS
• Provides starting point for new designs
Available Antenna Types (part)
Planar Dipole
Wire Dipole
Rectangular Patch
Elliptical Patch
Pyramidal Horn
E-plane Sectoral Horn
16单元组阵
天线单元的幅相控制
发送/接收 (T/R) 模块功能框图
功率分配 波束形成网络 (BFN) 天线单元
环形器
Transmit
Receive
(幅度/相位)
功放
复制n个
Example T/R Module
新的设计手段：系统集成化开发
天线＋T/R组件
天线单元
环形器 功放 波束成形 (BFN)
功率分配
有源阵中单元方向图的角度扫描特性
Gain calculated directly from Floquet Transmission Coefficients
G
4A
2
TM
2 0, 0
TE0,0
2
cos( )
s
• Speeds up plot creation • Interpolating Sweep improves frequency resolution • Fields no longer need to be saved • Reduces solution size
• 电扫描天线阵列由于诸多优点成为主流；
• 阵列规模大，仿真存在挑战； • T/R组件集成，耦合效应强，要求精度高； • 平台效应以及实际工作时的多物理场效应，影响设计指标
相控阵列天线系统概述
运载平台 有源通道 天线阵列
BFN
Input
Amp
Circulator
I
0
50
模块级设计要点
T/R 模组
3.
4.
不能实现任意幅相配置馈电
。。。
所以
2.2 天线阵设计－有限大阵列 FA-DDM 2.0
阵列天线的仿真方法
设计
单元法
计算量小 考虑单元间互耦 忽略阵列边缘效应 不支持各单元任意幅相馈电
FA-DDM精确验证
验证
整体仿真-FA-DDM
全阵整体仿真
包含所有电磁效应 计算量大
• •
观察扫描盲区 详细的增益扫描曲线让设计者更了解单元性能 Floquet 传输系数使扫描盲点、方向图栅瓣和表 面波的研究更加方便
精度更高 • 对辐射能量的吸收不受入射波角度的限制 • 对频率选择性表面的研究提供详细的幅度和相位
信息
S11 (dB)
更快捷的结果显示 • 直接通过端口S参数矩阵生成阵中（有源）单元方
阵列天线设计流程与高级培训
@ANSYS中国
主要内容
• • • 阵列天线与仿真流程 宽带无限大阵列仿真 实际有限大阵列仿真方法与技
•
•
阵列RCS评估
新一代场路耦合收发模块设计方法
•
•
馈电系统与阵列天线的双向耦合仿真
阵列与载体平台
场路耦合
•
多物理场（热，结构）
更多实际条件
阵列天线的应用需求
关键问题与仿真技术
• • • 阵列天线与仿真流程 宽带无限大阵列仿真 实际有限大阵列仿真方法与技巧
1 2 3 4
背景
阵面设计
•
•
阵列RCS评估
新一代场路耦合收发模块设计方法
•
•
馈电系统与阵列天线的双向耦合仿真
阵列与载体平台
场路耦合
•
多物理场（热，结构）
更多实际条件
所需的仿真技术系列
Ansoft 解决方案 • 电磁部件
HFSS for ECAD，。。。
2. 天线阵面设计
辐射单元
微带准八木天线 （集成巴伦）
回波损耗
铁氧体环形器
HFSS中的3D电磁场仿真 远场辐射方向图
Antenna Design Kit 天线快速设计助手
GUI-based wizard tool
• Automates geometry creation, solution
系统级设计难点
运载平台 天线阵列 有源通道
BFN
Input
I
Amp
Circulator
0
1）天线与有源T/R模组的相互作用（有源） 2）T/R模组的系统稳定性（有源） 3）带运载平台的方向图畸变 4）评估带运载平台的天线系统的扫描盲区 5）对飞机内电缆的电磁干扰（EMI）
50
波束成形
广域搜索– 余割平方波束 聚束模式－泰勒权重
• 单个阵元均被作为一个求解子域 • 每个子域被分配到一个计算节点上进行
并行求解
Distributes element sub-domains to networked processors and memory
FA-DDM 工具优势
HFSS中的有限大阵列工具带来的 好处:
1. 同样的硬件条件下可求解更大的 阵列 2. 得到与HFSS全模型求解同样精确 的结果 3. 使得利用域分解(DDM)技术可高 效求解大型阵列问题 4. 使得将主从边界单元转换称有限 大阵列变得非常容易
每种传输的Floquet 模式 (平面波) 代表一种传输的波 瓣 • 主模 (TEoo & TMoo) 即主波束 • 高次传输模式代表栅瓣
阵中单元方向图是根据主Floquet传输系数直接在 HFSS中计算得到的
Floquet 端口的作用
向图 通过插值扫频即可得到各扫频频点处的远场辐射 特性
•
提升对设计的洞察力 • 插值扫频可快速扫描更多更连续的频点从而更易
256 个考虑金属厚 度的Vivaldi单元
有限大阵列仿真中提供互耦系数
单元间的互耦系数可直接通过有限大阵列仿真结果中的S参数获得
-35.8dB -32.9dB -36.4dB
-29.4dB
-31.2dB
-29.1dB
-23.0dB
-22.3dB
-22.0dB
-17.9dB
-
-18.3dB
-21.8dB
15mm x 15mm 单元尺寸
• 50o 圆锥扫描
频段9GHz ～11GHz
天线阵分析方法
设计
单元法
计算量小 考虑单元间互耦 忽略阵列边缘效应 不支持各单元任意幅相馈电
验证
有限大阵列
包含所有电磁效应 计算量大
2.1 天线阵面设计－单元法
单元法仿真准八木天线
天线单元仿真时采用周期性边界条件，使Slave 边界上的场与Master边界上的场相同或加入 固定相差