卫星移动通信终端自适应天线阵列研究

摘要

卫星移动通信近几年正逐步进入高速发展阶段，而高集成度是实现卫星移动通信终端小型化、轻量化和低成本的重要途径之一。终端天线通常是影响卫星移动通信终端体积、集成度、成本等的主要因素，其性能直接影响卫星移动通信的通信质量，终端天线技术的发展已经成为卫星移动通信技术发展过程中迫切需要解决的问题。微带贴片天线是近几十年逐渐发展起来的一种新型天线，与偶极子天线、环天线、端射天线、螺旋天线等传统天线相比，微带贴片天线具有体积小、易集成、方向性好、馈电形式多样、易于共形组阵等优点，因此广泛应用于现代陆地移动通信、卫星移动通信、雷达、全球卫星定位(Global Positioning Systems，GPS)等系统中。本文的主要工作是根据卫星移动通信对终端天线性能和结构的要求，设计并制作了两种圆极化微带贴片天线。仿真结果和实验结果都表明所设计的天线在阻抗带宽、轴比（Axial Ratio，AR）带宽、定向性、增益等方面都满足卫星移动通信的要求。此外，还研究了方台型自适应天线阵列波达方向（Direction of Arrival，DOA）估计算法和设计了接收端T/R组件电路。论文的主要研究内容如下:
　　首先，在研究微带贴片天线理论的基础上，设计了一款应用于卫星移动通信接收端的圆极化微带贴片天线。该天线采用同轴方式馈电，上层金属贴片是方形切对角形状，工作频率范围为2.14GHz-2.23GHz，完全覆盖卫星移动通信接收端频段。在工作频率带宽内天线的反射系数(S11)小于-10dB，AR小于3dB，整个频带内增益最高达到5dB。
　　接着，针对上述圆极化微带贴片带宽比较窄的固有缺点，设计了一款宽带圆极化微带贴片天线。该天线的馈电网络是由3dB Wilkinson功分器和移相器组成的一种新型宽带馈电网络。在此网络的基础上采用正交的H型缝隙向上层金属贴片耦合馈电的方式实现圆极化辐射，最终得到一种宽带圆极化微带贴片天线。该天线工作频率范围达到1.6GHz-2.5GHz，完全覆盖卫星移动通信接收端和发射端整个频带，工作频率带宽内S11都小于-10dB，AR小于3dB，带内增益达到7dB。
　　随后，研究了卫星移动通信终端的DOA估计算法。利用卫星移动通信系统的特定帧格式发送信号，分析并对比了Capon算法、多重信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法和旋转不变子空间（Estimating Signal Parameters via Rotational InvarianceTechniques，ESPRIT）算法的性能。基于这些理论，在一种方台型共形天线阵列模型的基础上实现了二维DOA估计算法的验证仿真实验。
　　最后，以设计完成的圆极化微带贴片天线为阵元，设计了由13个该种阵元组成的方台型共形天线阵列，仿真了方台型共形天线阵列的反射系数和方向图特性。根据方台型自适应天线阵列的特点设计了天线接收端T/R组件单通道电路，并且测试了电路的工作情况。

目录

声明

摘要

插图目录

符号说明符

英文略缩语表

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 小型化圆极化微带天线研究现状

1．2．2 宽带圆极化微带天线研究现状

1．2．3 圆极化自适应天线阵列研究现状

1．3 本文主要工作

第二章 单馈圆极化微带贴片天线设计

2．1 引言

2．2 微带天线的基本概念

2．2．1 微带天线的定义与结构

2．2．2 微带天线辐射机理与分析方法

2．3 圆极化天线的基本概念

2．3．1 天线圆极化技术

2．3．2 圆极化天线的特性参数

2．4 圆极化天线的测量方法

2．5 圆极化微带贴片天线设计

2．5．1 天线结构设计

2．5．2 参数仿真优化

2．5．3 实验结果分析

2．6 本章小结

第三章 宽带圆极化微带贴片天线设计

3．1 引言

3．2 微带天线带宽展宽技术

3．2．1 微带天线带宽影响因素

3．2．2 微带天线带宽展宽方法

3．3 馈电网络设计

3．3．1 传统馈电网络设计

3．3．2 宽带馈电网络设计

3．4 宽带圆极化微带天线设计

3．4．1 天线结构设计

3．4．2 参数仿真优化

3．4．3 实验结果分析

3．5 本章小结

第四章 宽方位角覆盖DOA估计算法研究

4．1 引言

4．2 阵列接收信号数学模型分析

4．2．1 窄带信号模型

4．2．2 阵列接收信号模型主要假设

4．2．3 阵列接收信号模型

4．3 DOA估计基本算法

4．3．1 Capon算法

4．3．2 MUSIC算法

4．3．3 ESPRIT算法

4．4 方台型共形阵列DOA估计算法仿真

4．5 本章小结

第五章 共形天线阵列系统研究

5．1 引言

5．2 共形阵列方向图特性

5．2．1 方向图乘积原理

5．2．2 任意阵列方向图函数

5．2．3 方台型共形阵列方向图

5．3 方台型阵列结构设计

5．3．1 单个阵元天线设计

5．3．2 天线整体结构设计

5．4 自适应天线阵列系统设计

5．4．1 T／R组件电路设计

5．4．2 T／R组件电路测试

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结与主要贡献

6．2 进一步研究方向

参考文献

致谢

作者简介