Communication and Network 平面阵天线栅瓣性能分析 刘玲,刘陆军,曾浩 (重庆大学通信工程学院,重庆400044) 摘要:在相控阵天线设计中,增加阵元间距能提高天线分辨率,但天线波束会出现栅瓣,栅瓣多 值性导致目标位置模糊,接收机错误跟踪。因此,阵元间距的合理取值是相控阵天线设计的重要内容。 首先建立了阵列天线方向图函数模型,然后推导出矩形阵和三角阵栅瓣出现的位置及不出现栅瓣时 阵元间距的取值范围,最后通过MATLAB仿真来验证结论的正确性。 关键词:栅瓣;方向图;阵元间距 中图分类号:TN820 文献标识码:A 文章编号:0258—7998(2014)03—0104—04 Performance analysis of grating lobes about planar array antenna Liu Ling,Liu Lujun,Zeng Hao (College of Communication Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China) Abstract:In the design of phased array antenna,increasing array element spacing can improve the resolution oi antenna・How ever,antenna beam will appear grating lobes in this case.The multiple values of grating lobe leads to fozzy target location and re— ceiver bug tracking.Therefore,the reasonable array element spacing is important in the design of phased array antenna.Through of establishment for beam pattern function of array antenna,the location of the grating lobe and the range of array element spacing are obtained,where the grating lobes do not appear.These results are used for uniorm lfineal"ari’ay,rectangular and triangular pla— nar array.The MATLAB simulation proves that these conclusions are correct- Key words:grating lobe;radiation pattern;element spacing 目前,相控阵天线已经广泛应用于军事、民用领域, 它通过改变阵元激励信号的相位来改变天线方向图波 束指向。天线的辐射能力可以用方向图函数来描述,方 向图的取值与阵元间距有关,增大阵元间距即增加了天 线孔径长度,可使天线波束变窄,提高天线分辨率。但是 对于固定的工作频率和扫描角,若阵元间距过大,阵列 天线扫描时的辐射场,除主瓣以外在其他方向会因场强 同相叠加形成强度与主瓣相仿的辐射瓣,称之为栅瓣。 线按一定方式排列组合形成天线阵列来加强天线的定 向辐射能力。平面阵天线阵元有不同的排列方式,常见 的阵型有矩形排列平面阵和三角形排列平面阵。无论哪 种阵型,其方向图函数模型都是相同的。 为简化分析,本文做以下假设I41:(1)所有阵元为均 匀幅度加权,即信号到达不同阵元时没有幅度变化;(2) 阵元都是相同的全向天线且各阵元之间无互耦;(3)所 有入射信号均为远场信号,以平面波波前到达阵列;(4) 入射到阵列上的信号带宽远小于信号载波频率。 一栅瓣占据了辐射能量,使天线增益降低。从栅瓣“看”到 的目标与主瓣“看”到的目标易于混淆,导致目标位置模 个阵元构成的阵列如图1所示。图中 为方位 糊。干扰信号从栅瓣进入接收机将影响通信系统的正常 工作…。因此,应合理地选择相控阵天线的阵元间距避 免出现栅瓣。许多文章只注重对线阵栅瓣进行分析【2 ], 角,取值范围为0~2 ,0为俯仰角,取值范围为0~ z l 坝8 而很少分析平面阵栅瓣问题。本文对平面阵天线栅瓣性 能进行分析并通过仿真验证。 盂H 0 oPt 1阵列天线方向图函数模型 单个天线的方向性是有限的,可以将若干个单元天 基金项目:重庆市自然科学基金重点项目(cstc2013jjB40005);高校基 金重点项目(CDJZR12165501) //- ̄\\ .’’ 图1阵列天线空间结构示意图 104 欢迎网上投稿WWW.chinaaet.corn 《电子技术应用》2014d ̄-第40 5g-第3期 灞 曛圈 comm cat.on and Nelw。 k =£ 一 , =ty—t∞ 0.5叮r。如果用矢量a表示信号来向, 表示第Z个阵元 坐标,则第Z个阵元接收信号相对于原点阵元接收信号 的时延为7l=aTpf/C,其中,C为光速I5_。 a=[-sin0cos ̄一sin0sin ̄v—cos0] =因不考虑幅度加权,则根据式(7)可得矩形阵天线的 方向图函数I7_ 】: (1) B(O, )=ll w"v(O, )l l[ph Po p r’/=0,l,…,Ⅳ一1 (2) 为了表示方便,定义波数矢量: = 【-sin0cosq ̄-sin0sin ̄一cosO] (3) 则第Z个阵元接收信号相对于原点阵元接收信号的相 位差为orr,=kTp ,此时信号方向矢量为方位角和俯仰角 的函数,可表示为: ( , ):【e一 …e-jk'lp ̄,] (4) 在数字化实现的相控阵加权中,权矢量等于期望信号的 方向矢量: w,:v(0o, p。):【e一 。…e-Jk p,,-t】 (5) 其中, 和 。分别为天线波束最大指向的俯仰角与方 位角。 根据阵列天线方向图乘积定理,方向图等于阵元因 子p ( , )与阵元因子p ( , )二者的乘积,即 】: P( ,妒)=p ( , )pA( , ) —A ~(6)A 因阵元都是相同的全向天线,所以场强方向图为:诅 蜴 B(O, )=I lwl{I,( , )_ l(7) 式中,符号l lII为模值。 2平面阵列天线栅瓣性能分析 2.1矩形排列平面阵 等间距矩形阵天线示意图如图2所示,一个共有 MxN个天线单元的天线阵列位于xoy平面上,天线单元 塾 沿 和Y方向的间距分别为 和 。 塾 三兰, 图2等闯距矩形阵天线不意图 为简化分析本文做以下代换: =sin 0os =sin lcos 0 ty=sin0sinq ̄ 加 sin0osinq ̄0 根据式(5)得知矩形排列平面阵的权矢量为: W=p(0o, 0) 1 J手(/V一1)d ̄t e : (8) J手( 一1) 。 J孚((M—1)d,t ( ) 令 《电子技术应用》2014年第40卷第3期 =ll∑∑em=O n=0 xp{j孚[’ mdT+ndyTy…I 由上式可知,矩形阵天线方向图可以看成两个线阵 天线方向图的乘积,矩形阵天线方向图要取得最大值必 须满足以下条件: 式中P和q为整数。 由式(10)可得在球坐标系( , )中的主瓣、栅瓣位置 满足以下公式: arc “ ‰+ )+ 业dy)) 一nf篝1 当P=0、q=0时,O=Oo、 = o为天线主瓣指向,当P、q 不同时为0且满足式(11)时,天线会在除0=0o, = o外 的其他方向出现栅瓣。因为Isin0cosq ̄l≤1,Isin0sin ̄ol≤1, 所以天线在球坐标系( , )中扫描不出现栅瓣的条件为:霪 1) 2.2三角形排列平面阵 三角形排列平面阵可以看成两个矩形阵交错排列 之和 ,如图3所示。天线阵列位于xoy平面上,为了便 于区分,两个矩形阵列的阵元分别用黑色圆点和黑色正 方形表示。两矩形阵沿 和Y方向的间距分别为2dx和 2dy,亦即相邻两阵元之间沿 方向的距离为 ,沿Y方 向的距离为以。若dx=a ̄,则三角形为等腰直角三角形; J I Z o , > 、 \ ■ ● 图3三角形排列平面阵天线简图 105 iiI《l鲞i《3li8lllIli commun ca on and Ne wo k 若d =x/-3 dx,则三角形为等边三角形。 由于这两个矩形阵的参考点在 轴方向与Y轴方 不同时为O,且满足式(18)时天线会在除 =Oo、 : ,外 的其他方向出现栅瓣。 向的位置偏差分别为d 和d ,故整个阵列的方I句图函 数可表示为: e 定义 平面:T=t + ,即T=sin0 ̄,则To:t +it : ,^ sin0oe 。可知 平面上的点恰好就是球坐标系( , )中单 (13) B(0, ):B1( , )。Bd0, ) . 位球面上的点在 平面上的投影。因l Ill=I sin01,在 平 面单位圆以内的区域满足l lIl=lsin01≤1,即对应球坐怀 系(口, )中0≤0≤耵/2,此时波束位于可见区,称为实空间 其中, 。( , )为两个矩形排列平面阵的综合因子方向图, 而B ( , )为单个矩形阵天线的方向图。8 ( , )可表示为: M一 BI( ,I;p)=ll 1+exp{j孚[ l I(14) 天线要求实空间内方向图只有一个最大值,即主瓣。相控 单位圆以外的区域称为虚空间,即不可见区。对于相控阵 阵天线波束处于扫描状态时,在 平面上表现为主瓣从 根据式(5)可得单个矩形阵天线的权矢量为: W2: (Oo, o) 孚(争_1 ]’‘’ e ‘. (15) ) J孚((芋一i)d ¨十(手I)dr … e 则Bz( , )可表示为: Bz( , )=[ 1w2Hp(0, )If 】善一1 =l lm 0 n∑e=0 xpfj孚[2maI +2ndyT]} Sl・n fI! —— I1 1 sin( ) ・f坚f161 sin Ty) 与前面的讨论一样, ( , )也可分解为两个线阵方 向图的乘积。 因此,三角形排列平面阵的方向图取最大值取决于 以下两个条件: (1)满足式 2'rr 2 丁=p2丌 ^ f171 2qr' 2drT ̄=q2订 A 式中P和q为整数。 (2)满足P+q=偶数。 若P+q:奇数,则由式(14)可知综合因子方向图B, ( , )等于0,根据式(13)由方向图乘积定理可得整个三 角形阵列的方向图函数曰( , )也等于0,不会出现最大 值。若P+q:偶数,综合因子方向图 ,( , )取最大值,则 整个三角形阵列的方向图函数B(O, )将取最大值。 由以上分析可知,在球坐标系( , )中的主瓣、栅瓣 位置满足公式: 厂——————— ————一——— 、 arc n(\/ )+ 业2dy)j , .翌A f181 =arctan £∞十一pA ,、Ct lp+q=偶数 当P=0、q=0时,0=0o、qo=qoo为天线主瓣指向;当P、q 106 欢迎网上投稿WWW.chinaaet.corn 原点到 点的平移,且所有的栅瓣亦做相同的平移。 利用方向余弦平面 — 来描述天线栅瓣特性,则 三角形排列平面阵天线栅瓣在 — 平面上的位置及其 移动如图4所示。从图中可看出波束扫描时要想在可 见,要使空间不出现栅瓣,须满足 — 平面E栅瓣与主 瓣间的最小距离大于1+sinOol“]。 L . 、 厂 2/ d,’ ’22-一;‘ t ●扫描前 0扫描后 图4三角阵方向余弦平面栅瓣图 对于等腰直角三角形阵列,不出现栅瓣的条件为 <—— 一一 {、/2(1+sinOo) (19) <一 一一 【x/2 f1+sin ) 对于等边三角形阵列,不出现栅瓣的条件为 <—_=: L V 3(1+sin0。) f201 < 3仿真结果及分析 3.1矩形排列平面阵 设定天线波束最大指向角为 =Oo, = 。,天线阵元数 为16,根据式(12)得出矩形排列平面阵不出现栅瓣的条 件为dx<A、d <A。首先,图5显示d ,d -0.5A<A时天线 波束没有栅瓣;其次,由式(11)町计算出 , =A时栅瓣 的位置:0=nv/2,方位角 分别为0、'rr/2、耵、3'rr/2和2订, 从图6可以看出在0= ̄r/2处出现栅瓣,栅瓣计算值得以 验证;最后,从图7可以看出:矗 ,d =1.6A>A时天线波束 《电子技术应用》2014年第40卷第3期 3.3仿真分析 Cost Outdoor Localization for Very Small Devices m[J1.IEEE (1)在选取虚拟参考标签时,可能无法选择待测点附近 的虚拟参考标签,或者是所选择的虚拟参考标签有重复, 从而造成误差过大。这可能与无线信号传播模型有关,因 Personal Communications,2000,7(5):28-34. [4]MOORE D,LEONARD J,RUS D,et a1.Robust distributed network localization with noisy range measurements[C].In: Proc of the 2th Intemational Conference on Embedded Net— worked Sensor Systems.Baltimore.USA.2004:50—61. 为信号不是在自由空问中传输,受到了外界环境的干扰。 可以通过多次测量,再取统计平均,达到减小误差的目的。 本文通过取统计平均减小了误差,但还需进一步改进。 (2)本文通过增加计算的次数来换取定位精确度的提 [5】Zhao Yiyang,Liu Yunhao.VIRE:Active RFID—based local~ ization using virtual reference elimination[C】.XiAn:2007 International Conference on Parallel Processing,2007:56- 63. 高。在未来,需要进一步试验新算法,在不增加计算复杂 度的基础上,进一步提高定位的精确度。 无线传感器网络中节点定位一直是该领域的热点 问题之一。本文结合VIRE系统,提出了一种改进的质 [6】CULLAR D,STRVASTAVA M.Overview of sensor network【J1. Computer,2004,37(8):41-49. 【7】丁凡,周永明.基于RSSI的WSN吞吐量自适应优化策 心算法。该算法计算的复杂度有所增加,待测节点的定 位精度较传统质心算法有一定的提高,在一定程度上解 决了传统质心算法定位精度较低的问题。 参考文献 【1]郑永奇.无线传感器网络关键技术研究【J1.微型机与应 用,2013,32(51:57~59. 略[J].电子技术应用,2013,39(4):91—95. [8]LIONEL M N,Liu Yunhao,LAU Y C et a1.LANDMARC: indoor location sensing using active RFID[J].WirelessNet— works.2004 10f61:701—710. f收稿日期:2013—07—30) 作者简介 男,1987年生,硕士,主要研究方向:通信与信息 系统方面的研究,[2】ERRARNILLI V,BESTAVROS A・On the interaction be一 ween da a ggrega i。n and t。P。1。gY c。ntrol in wireless sen- 雷谦。 s0r networks[C]・Proc of the 1st Annual IEEE Communica一 tions Society Conferenee,2()O4:557—565・ 龙华女,1963年生,教授,主要研究h-向:无线网络方 ,面的研究。 [3】BULUSU N,HEIDEMANN J.ESTRIN D.GPS.1ess Low (上接第103页) International Conferenee 201 1. Adaptation[C].3GPP TSG-RAN WG1#66.Athens,Greece, 22nd一26th August 201 1. 【7]CMCC,3GPP R1—11 1778,Application Scenamo of dynamic UL/DL asymmetry for TDD system『C].3GPP TSG—RAN WG1#66.Athens.Greece.22nd一26th August 2011. (收稿日期:2013-08—13) 作者简介: 羌佳琳,女,1989年生,硕士,主要研究方向:移动通信 中的多天线传输理论与技术。 李锦川,男,1984年生,硕士,主要研究方向:3G/4G移 动通讯技术。 [8】王映民,孙韶辉,等.TD—I E技术原理与系统设计[M】. 北京:人民邮电出版社,2010. 『91 CMCC,3GPP R1—112590.Further Discussion on UL—DL asymmetry for TDD systemfC1.3GPP TSG—RAN WG1#66. Athens Greece.22nd一26th August 201 1. 谭国平,男,1975年生,博士,副教授,主要研究方向: 移动自组网、无线多媒体通信、随机网络优化与控制和网络 信息论。 ;! | iz ;! i E ! |; t !| z !;;z!! i zL v. ! !z ;z E 『10]HTC.3GPP R1一l 12599,Possible Enhancements to LTE TDD for DL—UL Interference Management and Traffic !!! i| ! E 1 211 ;;ii!!! !!!;i!!!!!i;!;!; ;;!= ii!!;!;;!!;!!!!!!!! !j!!!!!!!!;!!! (上接第107页1 arrangement of array elements for suppression of grating— 2009. [11]HANSEN R C.Phased aray antennas【M】.New Jersey: John Wiley&Sons,Inc.,2009. lobes of radar cross section[J1.IEEE Antennas and Wire— less Propagation Letters,2010(9):114-117. 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