圆形阵列天线如何配置相位

㈠ 天线阵列的工作原理

天线阵的工作原理可以看成是电磁波（电磁场）的叠加。对几列电磁波来讲，当它们传到同一区域时，按照叠加原理，电磁波将产生矢量叠加。叠加结果不仅与各列电磁波的振幅大小有关，而且与它们在相遇区间内相互之间的相位差有关。
我们知道，电磁波的相位组成包含三部分：时间相位，空间相位，初相位。就初相位来讲，当发射天线和工作频率确定后，其初相位就是确定的，而在几列电磁波相遇的时刻，时间相位也是确定的，只有空间相位可能发生变化，因为组成天线阵列的各单元天线位置不同，各自发出的电磁波传到同一接收区域时所走的空间路径不同，这样就会造成空间相位的数值大小不相同。正是由于位于不同位置上的发射天线所发出的电磁波传到同一接收区域造成的空间相位出现差别，必然引起几列电磁波在相遇区域形成同相位叠加，总场强增强，反相位叠加，总场强削弱。若总场强的增强和削弱区域在空间保持相对固定，就相当于用天线阵改变了单个天线的辐射场结构，这就是天线阵改变辐射场大小和方向性的原理。

㈡ 阵列天线与智能天线原理

19021110368 余昆

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。方向图原理：对于单元数很多的天线阵，用解析方法计算阵的总方向图相当繁杂。假如一个多元天线阵能分解为几个相同的子阵，则可利用方向图相乘原理比较简单地求出天线阵的总方向图。

一个可分解的多元天线阵的方向图，等于子阵的方向图乘上以子阵为单元的天线阵的方向图。这就是方向图相乘原理。一个复杂的天线阵可考虑多次分解，即先分解成大的子阵，这些子阵再分解为较小的子阵，直至得到单元数很少的简单子阵为止，然后再利用方向图相乘原理求得阵的总方向图。这种情况适应于单元是无方向性的条件，当单元以相同的取向排列并自身具有非均匀辐射的方向图时，则天线阵的总方向图应等于单元的方向图乘以阵的方向图。

2.智能天线

e( k )=d( k )-w H x( k )利用最小均方误差法(MSE)求出

E[|e|2]=E[|d|2]-2w H r+w H Rxxw

相关性r定义为r=E[d*.x]=E[d*.(x s +x i +n)]

Rxx=E[xx H ]=Rss+R uu

Rss=E[xsxs H ]

R uu =R ii +R nn

对任意权值，可以求均方误差关于权向量的梯度，由维纳-霍普夫方程表示为

▽ w (E[|e|2])=2Rxxw-2 r

如果令参考信号d等于期望信号s，且s与所有干扰源无关，则可化简相关性r，得r=E[s*.x]=S.a0

其中S=E[|s|2]，最优权值可表示为

WMSE=SR xx -1a0

各用户的波达方向的估计算法主要有延迟-相加法、capon法、MUSIC法等。运用矩阵定义

X=AS+N

其中S为波前信号，N为测量噪声，X为天线阵元的输出信号。式中A为阵元对信号源的响应函数。具体为

X=[ x 1(t)  x 2(t) …  x m(t)] T

S=[s1(t) s2(t) … sD(t)] T

N=[n1(t) n2(t) … n M (t)] T

延迟-相加法(经典波束形成法)的输出功率与达波方向DoA的关系为

P cbf (q)=w H R uu w=a H (q)R uu a(q)

Capon法的阵列输出功率与波达方向DoA的关系为

MUSIC法的阵列空间谱为

其中V为噪声特征向量矩阵。

㈢ 天线阵列的常见天线阵列的特性

（1）直排阵列
直排阵列是垂射阵列的一种类型，各天线元的轴沿着同一条直线放置。以半波偶极子直排阵列为例，所有天线元在阵列主轴方向上都没有能量辐射，因此在这个方向上没有信号；但在阵列的一侧所有天线单元都有能量辐射（要考虑相位问题）。
直排阵列天线安装时，通常是主轴垂直放置。它们在水平方向上是全方向性的，但是在垂直平面内的辐射角较小。因此，它们适合制作很好的移动无线系统基站天线。许多蜂窝无线系统和PCS系统的基站使用的是直排阵列。
（2）垂射阵列
将天线单元按多列同向排列，阵列的主轴与单元的主轴垂直，也能组成一个垂射阵列，安装时使主轴垂直放置。次阵列中天线元虽然不是直排的，但仍然是同相位。与直排阵列不同的是它们的极化方式。以偶极子天线阵列为例，相邻天线元间距为半个波长，并且馈线交叉连接。直排阵列是垂直极化天线，而垂射阵列是水平极化的。
（3）端射阵列
以偶极子天线为例，将上述垂射阵列中各相邻天线元的馈线交叉连接改为平行连接，使得与每个天线元前后相邻的两个天线的相位差为180度，因此来自一个天线元的辐射在垂射方向上与相邻的辐射抵消，在离开天线端点的方向上，来自天线元的所有辐射将叠加起来。这种天线安装一般使其主轴水平，并使其辐射处于一个方向上。这种天线的极化方向取决与所使用天线单元的极化方向。
（4）绕杆式天线
以偶极天线元为例，绕杆式天线在水平面内获得全向的性能，并且极化方式是水平的。偶极天线的馈电相位之差是90度。
绕杆式天线经常用于FM广播接收，在这种应用中，绕杆式天线不需要转子就可以在各个方向上表现出合适的性能。
（5）对数周期偶极天线阵列
这种天线的阵元是偶极天线，其中最长的偶极天线元的长度是最低工作频率的半个波长，最短的天线元长度则小于最高工作频率的半个波长。平行馈线与天线的窄端相连，功率可由交叉连接的网络馈电到其他偶极天线。
八木-宇田天线阵列是最为常用的无源天线阵列类型。它具有一个被驱动的天线元，该天线元后面有一个反射器，前面有一到多个导向偶极天线。反射器的长度略长于半个波长，而导向偶极天线的长度略短于半个波长。各天线元间的间隔不尽相同，但一般都约为0.2个波长。

㈣ 阵列天线的工作原理

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。
图1为最简单的二元天线阵。把功率P馈给一个天线单元时，在天线最大辐射方向足够远(距离r)的A点产生场强E0,当把同样的功率馈给等幅同相二元天线阵（图1）时，每个天线单元得到一半功率，它们在A点各产生相同的场，则合成场强。也就是说，总馈电功率不变，而产生的场强却增大到原来倍,即天线阵的增益增大，与一个单元相比，辐射也较集中。上述结论是在认为两天线单元间相互没有影响时得出的，这只有当两单元相距很远时才能达到。天线阵的单元数越多，天线阵的增益就可能越高，当然天线阵的尺寸也就越大。