位置公差设计方法对阵列天线在物联网

文摘

阵列天线的位置误差显著恶化的增益和旁瓣阵列,严重阻碍了实现高性能的物联网通信天线(物联网)。基于灵敏度分析理论,数组的敏感性辐射场对天线元素的位置。除此之外,小说的位置公差设计方法提出并应用于阵列天线 平面阵列。与传统方法设计的阵列相比,增益损失基本上是相同的(在0.5 dB),而峰值旁瓣水平降低1.937 dB ( )/ 1.586 dB ( )。此外,不确定性分析结果表明,新设计的数组有更高的机会,达到预期的性能,这充分体现了创新和新方法的有效性。

1。介绍

物联网(物联网)在许多领域已经受到了相当大的关注像智能城市1)、医疗(2],等等3- - - - - -6]。阵列天线是一个关键的组件来获得目标信息在物联网7]。在复杂的电磁干扰条件造成的大量其他对象,阵列天线的高增益、低旁瓣是关键参数的准确获取目标状态(8,9]。然而,影响加工精度和温度载荷,数组元素的实际位置是不可避免地偏离其名义上的地位,导致显著降低增益和严重增加侧叶(10- - - - - -16]。本文就着重那些坏家伙了天线元素的位置公差设计方法。

已经有大量的研究集中在天线的公差设计元素。宽容的激励的振幅和相位误差是第一个研究。Ruze [17)首先研究随机幅度和相位误差的影响增益和旁瓣水平的平均值(SLL)从统计的观点。萧(18)进一步研究了随机振幅误差对峰值旁瓣电平的影响(PSLL)。此外,采用区间方法分析随机幅度/相位误差的影响,其概率分布是未知的19,20.]。此外,的发展研究振幅和相位误差的位置公差,天线元素的位置误差的容忍度也收到很多的关注。Bailin和欧利希(21]研究错误在槽长度和位置的影响槽阵列的性能。王(22)之间的关系推导出天线元素的位置公差和数组的增益损失。艾略特(23]提出的方法设计的位置公差按容许PSLL增加。Lanne [24]研究子数组的位置误差公差的影响。此外,随机的影响和决定性的位置误差对阵列的性能也进行了分析(25,26]。这些公差设计方法的一个共同点是,为了满足阵列性能的要求,所有元素的公差应小于相同的标准,称为“传统法”。然而,很明显的影响的定性理论分析数组元素数组不同的电气性能。如果数组元素的公差有较大影响的数组元素是严格控制的,有小的影响是合理的增加,那么数组的性能应该比“传统方法更容易得到满足。“因此,为了提供天线元素的位置公差设计方法,如何评估的影响天线的位置元素数组性能成为一个至关重要的问题,就是没有看到在公共文献。

本文的敏感性的主瓣阵列天线辐射场的位置元素作为参数来评估的影响得到数组的位置上,和相应的计算模型。此外,的位置公差 平面阵列设计基于位置敏感。结果表明,相比于阵列设计的“传统法”的新设计的阵列增益损失基本上是一样的“传统”,而PSLL低得多,这证明了新方法的有效性和创新。

2。敏感性模型的数学推导

灵敏度分析可以用来评估自变量对因变量的影响(27),已广泛应用在各个领域28- - - - - -30.),但没有找到在阵列天线设计中的应用在公共文学。因此,有必要获得阵列辐射场的敏感性元素位置。平面阵列,如图1,辐射场如下:

的敏感性数组的辐射场天线的位置元素实际上是偏导数的计算。偏导数的模量越大,越高的位置敏感的元素 ,所以元素的位置公差应该小。另外,很明显,(1)满足的条件可诱导的功能(31日]。此外,事实证明,相比位置误差 方向的位置误差方向会导致更大的增益损失和旁瓣水平(26]。因此,数组的敏感性辐射场的位置误差方向是分析,结果可以很容易地扩展到职位分析 方向。的可以由以下公式计算:

采取一种 平面阵列为例,灵敏度计算如图2。数组的结构和电气参数如表所示1。

从图可以看出2最高的位置灵敏度位于数组的中部地区,和最低位于边缘地区。基于前面的分析,以满足性能要求,位置灵敏度越高,位置公差越小。因此,假设每个天线元素的位置公差是积极的线性相关的相互对应的灵敏度。在这里被定义为规范化位置公差分布和计算如下:

在这种情况下,标准化的位置公差分布如图3。然后的位置公差分布数组可以写成 ,在那里是所有数组元素的最大位置公差。认为可接受的增益损失由随机位置误差引起的 ,那么如何确定根据成为一个关键问题,在下一节中进行了研究。

3所示。位置公差设计方法和验证

3.1。位置公差设计过程

需要注意的第一点是,位置公差是一个定值,而天线元素的位置误差随机分布在公差范围内吗 ,所以数组的增益损失也是不确定的。为了定量评价造成的增益损失位置错误,提交 ,可靠的增益损失(定义),这意味着有一个非常小的增益损失的可能性大于 。确切地说,假设集团下的位置误差样本生成还有获得相应的损失。然后是最小的增益损失的排名在前5%的增益损失。的定义也适用于可靠的PSLL ()。需要注意的是这两个和直接相关的位置误差样本生成,也就是说, 。更大的 ,的变化范围越小/ 。的变化范围/在一个可接受的精度,是可以接受的,叫可靠组号码吗 。

同时,众所周知从先前的研究,存在着某种可靠的增益损失之间的函数关系(15)和位置公差分布 。假设 ,那么最大的位置公差可以通过直接求解函数 。因此,为了获得 ,有必要找到功能的关系 ,可以通过以下步骤进行:

(一)计算归一化位置公差分布通过(3)。

(b)生成一系列的公差随机和计算相应的行动。

(c)选择拟合函数的分布趋势相对于 。

(d)执行函数拟合的MATLAB函数 。

(e)解决函数 ;那么相应的最大位置公差是获得。

总之,阵列天线的位置公差分配如图决定4。

3.2。验证设计方法

为了体现的优势位置公差设计方法在这篇文章中,有必要比较电气性能参数如增益损失和旁瓣水平阵列由本文提出的方法,设计的阵列由“传统设计方法。为方便叙述,前面的数组表示像UA SA和后者。

以下是验证过程和参数设置。为了满足大多数物联网的antielectromagnetic干扰能力要求阵列天线,一个 平面阵列作为一个例子来说明比较。结构参数和电参数如表所示2和规范化的位置公差分布如图5。SA和UA的性能比较在相同的要求。具体来说,之间的关系和位置公差SA是通过新方法 ,和UA的关系获得从王22经常引用的相关人员。然后假设SA和UA的容许增益损失 。SA的位置公差和UA是通过 和 ,分别。最后天线元素的位置误差样本集生成和 ,分别。相应的和SA和UA的计算基于这些位置误差样本。此外,不确定性分析基于SA和UA的公差分布也表现的全面视图的结果。平均值和标准偏差计算相应的电气性能。更重要的是,该比率小于0.5 dB的增益损失和的比值小于1分贝被计算。可靠的组数是通过最小样本容量的理论在数学统计(32)和数值模拟。的变化范围0.05 dB,可靠的群号码是 。此外,结果的不确定性进行了分析。单一程序的运行时58分36秒。结果如表所示3和4。

从表可以看出3和4SA和UA的增益损失相等的前提下,设计1.937 dB ( 飞机)/ 1.586 dB ( 飞机)低于UA。此外,股价是1.402的平均PSLL dB/ 1.406 dB低于UA。更重要的是,的比例 SA的非常接近100%,几乎是UA的两倍,这表明SA的位置公差主要担保的要求获得的PSLL SA。

除此之外,另一个做验证工作是为了给出一个综合的新方法。假设要求数组的允许增加峰值旁瓣水平 ,然后SA和UA的预设要求 和SA和UA的比较。这里的方法获得的关系 SA是相似的方式获得 这是显示在图4,除了位置公差获得基于预设的要求吗而后者是基于预设的要求 。艾略特提出的UA是设计的方法(23)推导出PSLL和位置公差之间的关系 。可靠的组数 的变化范围为0.1分贝。结果如表所示5和6。

从表可以看出5和6的意思是PSLL股价是0.749 dB/ 0.726 dB低于UA。此外,尽管R-GL和平均增益损失0.285 dB和0.252 dB高于UA,分别UA的平均位置公差()远远低于SA (),这表明,UA的小增益损失是通过大大提高天线所有元素的位置精度。更重要的是,它可以从表吗5和6SA的增益损失已经符合要求的限制 。因此,SA设计通过新方法能够通过一个更经济的方式实现所需的性能。上述结果充分证明的有效性和新奇的新方法。

4所示。结论

阵列天线的高性能担保的有效沟通和准确获取目标信息在互联网的东西。阵列天线的位置公差设计是其中一个重要的研究领域。数组的敏感性模型,推导出辐射场天线元素位置,和阵列公差设计方法提出了基于位置敏感。与阵列设计的“传统方法,”所需的电气性能的新设计的阵列可以更好的通过更经济的方式,它展示了创新和新方法的有效性。此外,灵敏度模型还可以用于结构强度设计的理论基础。总之,本文的研究为物联网的实现提供理论指导。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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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