海上平臺通信中的天線組陣方式分析

吳清華,周 璐,周京杭

(1.海軍大連艦艇學院信息與通信工程系,遼寧 大連 116018;2.大連海事大學信息科學技術學院,遼寧 大連 116026;3.海軍湛江保障基地,廣東 湛江 524001)

0 引 言

在海上平臺及編隊通信中,通常都是采取視距傳播的方式進行。然而,由于海上平臺的電磁輻射源數量多、功率大、樣式復雜,且存在折射、干涉及大氣波導等現象,嚴重影響了視距通信的穩定性與可靠性[1]。同時,復雜多變的海洋環境也會對裝備的性能產生各種不利的影響[2]。

為了提高無線通信中的可靠性與有效性,通常都會采取多種措施,提高天線增益就是其中之一。自適應天線陣列就是為了滿足這種需求而提出的。自適應天線陣列利用多個相同單元組成陣列天線,在需要信號方向上形成主波束,在不需要的信號方向或干擾方向上形成零陷,可有效改善接收端的信噪比,提高無線信道容量[3]。

根據單元天線排列方式的不同,可將天線陣列分為直線陣列、平面陣列和空間陣列等多種陣列形式。其中,均勻直線陣和均勻圓環陣是2種最為常見的陣列方式。實際應用中,通常都取弱方向性天線作為單元天線,此時陣列天線的方向性變化主要取決于陣因子的變化。因此,在陣列天線方向性的分析過程中,往往假定單元天線為理想無方向性天線,從而將陣列天線方向性的分析簡化為陣因子的分析。

本文利用Matlab軟件在不同條件下分別對均勻直線陣和均勻圓環陣的方向圖、分辨力等參數進行仿真,并在此基礎上對均勻直線陣及均勻圓環陣等常見陣列形式的特點及在海上平臺特殊應用背景下的適用性進行對比分析。

1 均勻直線陣

1.1 陣列結構及模型

如圖1所示,N元均勻直線陣是指由N個結構相同的單元天線以等間距、等幅激勵而相位沿陣軸線呈依次等量遞增或遞減的形式構成的直線陣。

圖1 N元均勻直線陣Fig.1 N element uniform linear array

當相鄰陣元之間的距離為d,激勵電流為In=時,則此N元均勻直線陣的陣因子為:

式中:Ψ=ξ+kdcosδ,ξ為初始電流相位差,k為自由空間相移常數,d為相鄰陣元間距,δ為來波方向與陣軸線之間的夾角;fa為陣因子。

1.2 性能仿真

1.2.1 陣元數量的影響

根據式(1),陣因子的變化與陣元數量有著直接關系。圖2為保持相同指向(Ψ=0°)、改變陣元數量時對陣因子進行仿真得到的結果。

圖2 陣元數量對均勻直線陣陣因子的影響Fig.2 Effect of element number to array pattern of uniform linear array

由圖2可看出,陣元數量越多,陣因子的波瓣個數越多,同時,主瓣及各副瓣也越窄。也就是說,隨著陣元數量的增多,陣因子的方向性越強,陣列天線的自由度也隨著增大。N個天線組成的陣列天線,可在N-1個方向上形成最大響應或零陷,即具有N-1個自由度。顯然,陣元數量越多,在波束形成時的靈活性也就越強。

1.2.2 波束指向的影響

由于具有左右對稱性,因此,均勻直線陣只能提供180°的測向范圍,且其分辨力與波束的指向有關。圖3為保持陣元數量不變(N=16)時,改變陣因子的波束指向得到的仿真結果。

圖3 波束指向對均勻直線陣陣因子的影響Fig.3 Effect of beam-pointing to array pattern of uniform linear array

對比圖 2(c)和圖 3(a)、(b)、(c)可知 ,波束指向改變時,陣列天線的自由度不變(N-1),但是分辨率卻隨之變化。波束指向越偏離陣列的中垂線方向(Ψ=0°),陣因子主瓣的波束寬度越大,陣列的指向性越差,即分辨率越低。可見,均勻直線陣雖然可以在180°范圍內全方位掃描,但在各個方向上卻有著不同的陣列孔徑。在波束指向為0°時,陣列孔徑最大,波束寬度最小,分辨信號的能力最強,向兩邊遞減,在兩端的分辨能力最弱。

2 均勻圓環陣

2.1 陣列結構及模型

圖4是1個由N個結構相同的單元天線均勻分布在1個半徑為R的圓環上構成的N元均勻圓環陣。其陣因子為:

式中:An為第n個天線單元激勵電流的振幅;αn為第n個天線單元激勵電流的初始相位;k為自由空間相移常數[4]。

圖4 N元均勻圓環陣Fig.4 N element uniform circle array

2.2 性能仿真

2.2.1 陣元數量的影響

同樣,均勻圓環陣陣因子的變化也與陣元數量有著直接關系。圖5為保持相同指向(Φ=180°)、改變陣元數量時對水平平面陣因子進行仿真得到的結果。

由圖5可看出,陣元數量對均勻圓環陣陣因子的影響與均勻直線陣相似,陣元數量越多,陣因子的波瓣個數越多,同時,主瓣及各副瓣也越窄,陣因子的方向性越強,陣列天線的自由度也隨之增大。

2.2.2 波束指向的影響

與均勻直線陣只能提供180°的測向范圍不同,均勻圓環陣可提供360°的測向范圍,且其分辨力與波束的指向無關。圖6為保持陣元數量不變(N=16)時,改變陣因子的波束指向得到的仿真結果。

由圖6的仿真結果可知:當陣元數量固定時,陣因子的形狀不發生變化,只是在360°范圍內滑動,即均勻圓環陣的陣列孔徑固定不變,波束寬度、分辨力等參數不隨波束指向的改變而變化。

圖5 陣元數量對均勻圓環陣陣因子的影響Fig.5 Effect of element number to array pattern of uniform circle array

圖6 波束指向對均勻圓環陣陣因子的影響Fig.6 Effect of beam-pointing to array pattern of uniform circle array

3 適用性分析

在海上平臺中,由于在狹小的空間內集中了大量電磁輻射源,因此,復雜電磁環境是通信必須面臨的問題。同時,考慮到可能存在的折射、干涉及大氣波導等現象,更是對通信系統提出了極高的要求。

自適應天線陣列技術通過對波束進行賦形,在需要信號方向上形成主波束,在不需要的信號方向或干擾方向上形成零陷,可有效改善接收端的信噪比,提高信息傳輸的可靠性與有效性。

在前面的分析中已經得到了一個結論:自適應天線陣列的組陣方式對陣列的性能有著重要的影響。因此,研究海上平臺通信中對陣列天線方向性的需求及不同組陣方式對陣列天線方向性的影響就顯得尤為重要。

3.1 副瓣電平

圖7是16元均勻直線陣與16元均勻圓環陣陣因子的對比,為便于比較,將均勻直線陣的最大分辨力方向調整為90°方向,此時均勻直線陣具有的波束指向變化范圍為0°～180°。均勻直線陣陣因子中第一副瓣電平比主瓣電平低大約13 dB,而均勻圓環陣陣因子中第一副瓣電平比主瓣電平低大約8 dB,且這2個數值不隨陣元數量的改變而變化。可見,均勻圓環陣陣因子的副瓣電平高于均勻直線陣。

3.2 分辨力及測向范圍

當均勻直線陣和均勻圓環陣陣元數量相同且不發生變化時,從圖7的對比中可看出,均勻直線陣的波束寬度比均勻圓環陣窄,也就是說,圖7中均勻直線陣的分辨力比均勻圓環陣高。但是,均勻直線陣的波束寬度及分辨力是隨波束指向而變化的,在陣列中垂線方向(Ψ=0°)分辨力最高,在 Ψ=±60°方向分辨力已經下降到一半,在 Ψ=±90°時已失去了測向能力。一般情況下認為均勻直線陣的有效測向范圍是 [-60 °,+60°]。

圖7 十六元均勻直線陣和均勻圓環陣陣因子對比Fig.7 Contrast between array patterns of uniform linear array and uniform circle array

3.3 適用性

海上平臺通信應用中通常都要求能實現全方位測向。均勻直線陣雖然能在一定范圍內提供很高的分辨力,但是難以區分兩側目標的方位,且最大只能提供180°的測向范圍。因此,如果需要實現360°范圍內全方位測向,至少需要2個相互垂直的均勻直線陣相互配合使用。而均勻圓環陣雖然分辨力在大多數時候都要低于均勻直線陣,但是1個均勻圓環陣即可實現360°范圍內的全方位測向,且其分辨力、波束寬度及形狀在360°范圍內不隨波束指向變化。

陣元數量增加時,均勻直線陣和均勻圓環陣的分辨力都隨之相應提高。但是,由于相鄰陣元之間的距離一般都在半波長左右,陣元數量的增加意味著陣列孔徑的增大。在海上平臺的有限空間范圍內,陣列孔徑往往是陣列天線設計中的1個需要考慮的重要設計局限性。相同陣元數量條件下,均勻圓環陣占用的空間要遠小于均勻直線陣。

綜上所述,均勻圓環陣具有全平面掃描能力、較小的尺寸、波束形狀及分辨力不隨波束指向改變等優點,因而在海上平臺通信應用中具有較為明顯的優勢。但是當對波達方向分辨率要求較高時,均勻圓環陣往往難以滿足要求,只能通過增加陣元數量來實現。而陣元數量的增加則意味著占用空間的增大,這又是我們不愿意看到的。此時可以考慮利用2個相互垂直的均勻直線陣解決這個問題,代價是增加了軟、硬件設計的難度。

4 結 語

自適應天線陣列以其高增益、波束可賦形等優點,可有效抑制干擾、充分利用發射功率、改善接收端信噪比,提高信息傳輸中的可靠性和有效性,是解決當前海上平臺通信中眾多問題的最佳方案之一。需要注意的是,不同的組陣方式對自適應天線陣列的性能有著直接、重要的影響。因此,在海上平臺通信的實際應用中,需要根據平臺空間、應用目的、設備軟、硬件復雜程度等因素進行綜合考慮,合理選擇組陣方式,以達到最佳應用效果。

[1]吳清華,鄭紫微.海上超短波通信中的問題分析及對策研究[A].十四屆全國青年通信學術會議論文集[C].美國:美國科研出版社,2009.653-657.WU Qing-hua,ZHENG Zi-wei.The Problems of Marine Metric WaveCommunication and ItsSolution[A].Proceedings of the 14thYouth Conference on Communication[C].Scientific Research Publishing,USA,2009.653-657.

[2]方書甲.海洋環境對海軍裝備性能的影響分析[J].艦船科學技術,2004,26(2):5-10.FANG Shu-jia.Analysis of the ocean environment influences on the performance of the navy equipment[J].Ship Science and Technology,2004,26(2):5-10.

[3]吳清華,肖奇偉.基于多天線技術的無線信道容量解決方案[J].艦船科學技術,2010,32(4):73-75.WU Qing-hua,XIAO Qi-wei.Resolution to radio channel capacity based on multiple antennas[J].Ship Science and Technology,2010,32(4):73-75.

[4]金榮洪,耿軍平,范瑜.無線通信中的智能天線[M].北京:北京郵電大學出版社,2006.62-63.JIN Rong-hong,GENG Jun-ping,FAN Yu.Smart antenna in radio communication[M].Beijing:Beijing University of Posts and Telecommunications Press,2006.62-63.