随机性效应在元素位置在物联网通信阵列天线的性能

文摘

作为无线通信的一个关键组成部分,有源相控阵天线的限制创建有效的性能与随机性的影响在数组元素的位置,不可避免地产生在天线的制造和操作过程。一种有效的新方法,有效地评估天线的统计性能,考虑随机性的元素的位置。提出了一种阵列天线耦合structural-electromagnetic统计模型从机电耦合的角度。最后,一个 评价说明了平面阵列天线的性能与鞍型失真和随机位置误差。给出的结果表明,该模型可以快速而有效地获得天线性能,为结构设计和性能优化提供一个有利的指导阵列天线的无线应用程序。

1。介绍

无线通信的应用促进了物理实现和发展的事情在我们的日常生活中从一个网络交换信息,叫做物联网(物联网)1- - - - - -3]。在无线通信中,天线的选择是一个关键组成部分。有源相控阵天线有如此显著的优势,包括快速重新配置或重游率,多波束,形梁、旁瓣控制,和高可靠性在其他类型的天线,并有兴趣增加用于各种各样的沟通和遥感应用,如作为物联网的追踪卫星地面站终端数据连接(4]。在工作过程中,然而,天线的制造和加工,任何运动的载体平台,和外部环境载荷可能导致结构错误,包括随机位置误差和系统误差。随机位置误差和系统的失真的结合最后结果随机性的元素的位置。最后,阵列天线的电磁性能退化,如增益损失,旁瓣水平(SLL)上升,波束宽度展宽,指向误差(5- - - - - -9]。因此,通信距离将缩短,抵抗干扰会降低,严重限制了阵列天线的实现高绩效。创建有效的天线面临着限制下的性能结构错误。因此,有必要深入探索结构误差和电磁性能之间的耦合关系对有源相控阵天线与随机性的影响在元素的位置10- - - - - -12]。

目前适用于分析结构误差对阵列天线的电磁性能的影响主要来自以下三个方面进行。首先,假设天线一定形状的变形,只有系统误差对性能的影响进行了分析,(13]研究了对称和不对称弯曲的平面阵列平面天线的性能。文献[14]讨论了四组平面扭曲的影响包括凹陷,土豆片,正弦和贝塞尔字符为阵列天线。以上工作在13,14)只考虑系统误差而不考虑随机位置错误也在生产和工作过程中不可避免的产生。其次,一些作品关注分析的随机误差的不确定性的影响。文献[15)探讨了随机误差对六角有源相控阵天线的性能,取得了一些有益的结论。但没有讨论系统的失真。此外,有研究表明,随机误差的影响可以相当于励磁电流误差的影响,与当前随机错误和天线的性能研究[16,17]。然而,缺乏直接关系的随机位置误差与天线的性能。此外,(18)调查了子数组位置误差及其对天线性能的影响通过使用概率统计理论。但该方法需要大量的重复计算天线的统计性能。第三,一些作品介绍了随机误差的线性组合和系统的失真分析它们对天线性能的影响。在[19,20.),随机误差和系统误差的总和被视为结构误差项,用于分析扭曲的阵列天线的性能。然而,在实践中程度的随机误差和系统误差显示巨大的差异;线性组合可以降低随机误差的影响时,有很大的区别度的随机和系统误差。此外,系统误差应该是确定性的,但随机误差是随机的;结合错误可能导致电磁性能的随机性。所以更准确估计电磁性能从统计的角度财产时随机误差的存在。

因此,本文提出一种有效的新方法,有效评估有源相控阵天线的统计性能,考虑随机性的数组元素的位置。提出了一种耦合的structural-electromagnetic统计模型,从机电耦合的角度。该方法提供了一个有利的指导结构设计和性能优化阵列天线在无线应用程序。

2。耦合Structure-Electromagnetic统计与随机性模型元素的位置

如图1组装,阵列辐射元素相等的时间间隔,其数字 。数组元素的间隔和方向和 ,分别。

远场的方向目标相对于坐标系如图2的方向余弦(21]。

天线的生产和工作过程导致的结构错误,包括随机误差和系统的失真。假设随机误差的元素 是 ;的相位差关于图的坐标原点1给出如下。

接下来,假设系统失真的元素是 ;的相位差关于图的坐标原点1给出如下。

根据叠加原理没有元素的阵列天线耦合,提出密度模式函数平面矩形有源相控阵天线与开发系统失真和随机位置误差如下。 在哪里 在自由空间元素的模式功能,是励磁电流的幅值的元素 , 是数组的固有的相位差由移相器,然后呢 是初始空间相位分布。

在实践中,元素的随机位置错误概率变量;有必要分析阵列天线的电磁性能的统计属性包括随机误差。假设随机位置错误 , ,和方向 , ,和 ,服从正态分布,与零和方差的 , ,和 ,分别。然后相位差在(1)也正态分布,方差是获得如下。

对于任何与正态分布随机变量,表示为 ,该函数关系和可以从[获得22]。应用该函数关系,指数函数的均值 。因此,实地密度的均值函数模式 在(3)推导出如下。 在哪里 是场密度模式函数只有现有系统失真。

的意思是阵列天线的功率模式函数推导出根据方差的性质 如下。

用这个函数到(6),意味着权力的模式函数表示如下。 在哪里的方差函数吗 。方差的表达式提出了如下。

首先,作为一个矢量, 可以表示成实部和虚部的结合23]。假设 和 分别是实部和虚部。的表达式和是 和 ,分别。

接下来,方差推导出如下。 在哪里 和 。

因为这个函数等于 ,然后

因此,方差推导出如下。

因为这个函数等于 ,然后

方差然后推导出用(10)和(13)(8)如下。

最后,意味着权力模式函数与随机元素的位置,这也被称为耦合structure-electromagnetic统计模型,开发了如下。

3所示。耦合Structure-Electromagnetic统计模型的验证

为了说明开发模型的有效性,仿真实验验证了耦合structure-electromagnetic统计模型基于软件,可提供稳定、准确的解决方案甚至高频率和已广泛应用由工程师设计可靠的产品(24]。

考虑到阵列天线的无线应用程序,一个 补丁说明了阵列天线(25),间隔和方向是 ,如图3。贴片阵列天线的频率是30兆赫。贴片阵列天线的物理尺寸为60毫米×60毫米。对于每个贴片天线,长度和宽度 毫米, 分别为毫米。最初的励磁电流等于振幅和相位。鞍型失真的最大位移的方向 假定系统的畸变,并随机位置错误 , ,和方向都是假定满足0的正态分布的均值和方差 。

首先,随机抽样生成结构错误是通过添加特定的鞍型畸变与每个位置误差的随机样本生产根据正态分布。然后用每个天线性能结构误差样本分别模拟基于软件而不考虑元素的耦合。最后的均值计算天线性能的平均表现的和获得的样本结构错误。与1000年在这里模拟结构误差样本被因为天线性能的均值大于1000个样本的结果在任何进一步的变化。与计算的性能的比较发达的模型如图4和相应的参数表中列出1。

如图4和表1耦合模型和HFSS-based结果显示良好的一致性在主瓣区和旁瓣区。增益、波束宽度和瞄准线指向都是相同的 和 飞机,这表明主瓣区域是通过耦合模型和基于相同,分别。绝对差异的第一个旁瓣值0分贝0.09 dB 和 飞机,分别。第二、第三、第四、第五个旁瓣,绝对值最大的差异是0.43 dB和0.48 dB 和 飞机,分别。因此,上述结果证明提出的耦合模型是有效分析随机性的影响在元素位置电磁阵列天线的性能。

4所示。仿真和讨论

有源相控阵天线,随机位置误差和系统的结构变形的变形由天线在实践中。随机位置误差出现的随机变量。

在工程中,天线阵地区一般扭曲成代表马鞍形状。基于表面的数学特性,数组元素的相位中心的坐标 在马鞍形状给出如下。 在哪里和的半身像和宽度阵列孔径大小,分别和数组元素的最大位移在吗方向,属于系统误差。

因此,平面阵列天线与鞍形畸变和元素随机位置误差讨论如下。一个 说明了平面矩形数组,数组元素的间隔和方向是 。频率为9.375 GHz和初始励磁电流等于振幅和相位。在分析假设随机误差 , ,和方向是服从正态分布,意味着零和相同的方差 ,最大位移的马鞍形状方向选为 。提出了统计模型应用于评估统计数据失真的阵列天线的性能。此外,与现有的线性组合系统失真和不同的随机分布的随机误差也在讨论,使用功率模式函数在哪里 和 实地密度(3)。系统的失真作为相同的马鞍形状。与此同时,四个随机样本生成样本1到4根据相同的正态分布,作为随机误差 , ,和的方向。对比结果如图5和相应的参数表中列出2。

如图5和表2,接下去

获得当马鞍形状和大大减少随机误差共存,与−2.53 dB的增益损失最大。获得的增益损失统计随机误差,这是直接替换的方差统计给出的随机误差和系统的畸变模型,显示了一个小的差异值计算的四个随机样本,得到,分别添加每一个随机样本与整个结构系统的失真的错误。最大的区别是0.34分贝,这表明增益的变化主要取决于系统的失真。

旁瓣水平变化在两种不同的四个随机样本 和 飞机。从第一到第五个旁瓣水平,最大的变化是−5.45分贝,这表明旁瓣水平随机误差的分布密切相关。大的性能错误会产生从任何随机分布在评估。因此必须考虑数据的随机误差的影响。旁瓣水平的统计模型可以被看作是他们给出的评估值的均值功率模式功能。

小尺度的波束宽度变化与不同的随机样本,与统计值几乎相同的随机误差。最大的变化 和 飞机和 ,分别。它表明波束宽度的影响主要是通过系统失真。

马鞍形状的对称性没有影响指出方向,瞄准线指向的变化主要来自不同的随机误差分布。所以更精确提取的统计性能比的性能与系统失真的计算通过添加一个随机样本。

此外,提出了统计模型的性能得到进一步验证尤其是在旁瓣水平和瞄准线指向。首先上面四个随机样本增加到一千样品相同的正态分布。下的均值功率模式函数计算的平均表现的总和得到所有的样品。经过一千次的计算所有样本,平均增益损失−2.23 dB,从统计模型相同的值。第一个旁瓣水平增加0.52 dB和1.54分贝 和 飞机,分别。绝对误差只有0.01 dB的两架飞机。波束宽度的变化和 ,分别和瞄准线指向不同的和 ,分别是几乎相同的值作为从静态模型。

因此,提出了耦合structure-electromagnetic统计模型可以评估天线性能迅速和有效地与随机性的影响元素的位置。

5。结论

旨在创建有效的限制下的性能的影响在数组元素的位置随机性,有源相控阵天线的耦合structural-electromagnetic统计模型。随机性在元素位置对天线性能的影响进行了分析,从随机抽样获得与电气参数错误结合系统的失真。结果表明,随机误差的随机性导致天线的机电性能,尤其是在旁瓣水平而获得和波束宽度。电气参数从统计模型获得更准确的从任何随机样本错误。统计模型的性能有几乎相同的平均表现的和从大量的随机样本。因此,提出的方法可以快速有效地评估天线性能。它提供了一个有利的指导结构设计和性能优化阵列天线的无线应用程序。此外,它可以有效地减少重复设计的天线实现的目标降低开发成本和时间。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金批准号。51522507和51522507下,国家973项目批准号2015 cb857100,陕西省青年科技明星项目批准号下2016 kjxx-06,中央大学的基础研究基金批准号。JBG150409, KJXX1603, 7214479606。

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