?作者簡介熱愛科研的Matlab仿真開發(fā)者擅長數(shù)學(xué)建模、數(shù)據(jù)處理、建模仿真、程序設(shè)計、完整代碼獲取、論文復(fù)現(xiàn)及科研仿真。 往期回顧關(guān)注個人主頁Matlab科研工作室 關(guān)注我領(lǐng)取海量matlab電子書和數(shù)學(xué)建模資料個人信條格物致知,完整Matlab代碼獲取及仿真咨詢內(nèi)容私信。 內(nèi)容介紹3.5 GHz頻段是5G中頻段n78頻段的核心工作頻段廣泛應(yīng)用于宏基站與大規(guī)模天線系統(tǒng)。8單元均勻線陣作為該頻段典型的陣列配置其方向圖性能直接決定了系統(tǒng)的覆蓋能力與抗干擾水平。本研究圍繞幅度錐削與電子波束掃描兩類關(guān)鍵陣列操作對8單元均勻線陣核心性能指標(biāo)的影響展開系統(tǒng)分析。研究首先基于3.5 GHz自由空間波長建立8單元半波長間距均勻線陣的陣因子模型明確陣元間距、波數(shù)、掃描角與激勵幅相之間的數(shù)學(xué)關(guān)系其次分別采用均勻分布、二項式分布、切比雪夫分布、泰勒分布四種幅度加權(quán)方式定量計算主瓣寬度、峰值旁瓣電平、方向性系數(shù)三項核心指標(biāo)隨錐削強(qiáng)度的變化規(guī)律隨后引入電子波束掃描分析掃描角從0°增大至60°過程中主瓣展寬、旁瓣抬升、增益下降的量化關(guān)系并揭示掃描過程中柵瓣出現(xiàn)的角度邊界條件。仿真結(jié)果表明二項式加權(quán)可實現(xiàn)-40dB以下的極低旁瓣但主瓣展寬達(dá)38%切比雪夫加權(quán)在-30dB旁瓣電平下主瓣僅展寬19%是綜合性能最優(yōu)的錐削方案均勻加權(quán)方向性系數(shù)最高10.4dBi但旁瓣電平高達(dá)-13.2dB當(dāng)掃描角達(dá)到60°時均勻線陣的增益相比法向下降3.2dB主瓣寬度展寬至法向的1.8倍且因半波長陣元間距設(shè)計在可視區(qū)內(nèi)不會出現(xiàn)柵瓣。研究結(jié)論可為3.5 GHz頻段基站陣列的加權(quán)方案選型與掃描范圍設(shè)計提供量化依據(jù)。?關(guān)鍵詞?3.5 GHz均勻線陣幅度錐削電子波束掃描旁瓣電平主瓣寬度一、引言3.5 GHz頻段作為5G Sub-6GHz頻段的重要組成部分兼具覆蓋能力與帶寬容量優(yōu)勢已成為國內(nèi)外5G宏基站部署的主力頻段。在該頻段下天線陣列的物理尺寸與波長比例適中使得8單元甚至更大規(guī)模的線陣可以在合理的物理尺寸內(nèi)實現(xiàn)較高的陣列增益同時保持波束賦形的靈活性。均勻線陣由于結(jié)構(gòu)簡單、陣元互耦可控、波束掃描實現(xiàn)方便是該頻段基站天線系統(tǒng)的典型配置。在實際系統(tǒng)運(yùn)行中陣列的方向圖性能并非固定不變而是受到兩類操作的顯著影響一是幅度錐削即為各陣元分配不同的激勵幅度通過壓低邊緣陣元的激勵強(qiáng)度來降低副瓣電平抑制來自非期望方向的干擾二是電子波束掃描即通過控制各陣元的激勵相位差使主波束在空間內(nèi)指向不同角度實現(xiàn)對目標(biāo)用戶的動態(tài)跟蹤覆蓋。這兩類操作都會改變陣列的核心性能指標(biāo)且影響機(jī)制存在明顯的相互耦合。幅度錐削在壓低旁瓣的同時不可避免地展寬主瓣、降低方向性系數(shù)錐削程度越強(qiáng)這種代價越明顯電子波束掃描則會使主瓣隨掃描角增大而展寬增益下降同時在特定陣元間距下可能觸發(fā)柵瓣進(jìn)入可視區(qū)造成波束能量分散甚至出現(xiàn)虛假目標(biāo)。如何量化這兩類操作對核心性能指標(biāo)的影響規(guī)律在干擾抑制能力、波束分辨能力與覆蓋增益之間取得最優(yōu)平衡是3.5 GHz基站陣列設(shè)計中必須解決的關(guān)鍵問題。當(dāng)前工程實踐中幅度加權(quán)方案往往依據(jù)經(jīng)驗選擇缺乏針對3.5 GHz、8單元這一具體配置的定量對比數(shù)據(jù)掃描范圍的設(shè)定也多沿用通用結(jié)論未與具體的旁瓣抑制方案結(jié)合分析。基于此本研究建立完整的8單元均勻線陣模型系統(tǒng)分析四種典型幅度錐削方案與電子波束掃描對主瓣寬度、旁瓣電平、方向性系數(shù)、掃描增益損失等核心指標(biāo)的影響規(guī)律為實際陣列設(shè)計提供量化參考。二、8單元均勻線陣的數(shù)學(xué)建模2.1 陣列幾何結(jié)構(gòu)與陣因子本研究考察的8單元均勻線陣采用等間距直線排列陣元間距d取為半波長即d λ/2。在3.5 GHz頻段自由空間波長λ c/f 3×10? / 3.5×10? ≈ 85.7mm因此陣元間距d約為42.9mm整個8單元陣列的總長度約為300mm符合典型基站天線罩的尺寸限制。三、幅度錐削對陣列性能的影響分析3.1 四種典型幅度加權(quán)方案本研究考察四種在工程中廣泛應(yīng)用的幅度加權(quán)方案各方案的激勵幅度分布特征如下?均勻加權(quán)Uniform?8個陣元激勵幅度全部相等是最簡單的加權(quán)方式全部陣元滿功率工作方向性系數(shù)最高但旁瓣電平也最高。?二項式加權(quán)Binomial?激勵幅度按二項式系數(shù)分布8元陣列對應(yīng)的系數(shù)分布為1:7:21:35:35:21:7:1。該加權(quán)方式的突出特點是理論上完全不產(chǎn)生旁瓣代價是主瓣最寬、方向性系數(shù)最低。?切比雪夫加權(quán)Chebyshev?在給定的旁瓣電平約束下切比雪夫加權(quán)能夠獲得最窄的主瓣寬度是等旁瓣設(shè)計的經(jīng)典最優(yōu)解。本研究以-30dB旁瓣為目標(biāo)設(shè)計切比雪夫加權(quán)系數(shù)分布。?泰勒加權(quán)Taylor?通過控制近距離旁瓣電平使遠(yuǎn)端旁瓣按單調(diào)規(guī)律衰減兼顧了低近距離旁瓣與較高的方向性系數(shù)適用于對近端干擾抑制要求高的場景。3.2 各加權(quán)方案的核心指標(biāo)對比在3.5 GHz、8單元、半波長間距、法向波束條件下四種加權(quán)方案的核心指標(biāo)仿真結(jié)果如下表所示表格加權(quán)方案主瓣寬度(°)峰值旁瓣電平(dB)方向性系數(shù)(dBi)均勻加權(quán)12.7-13.210.4二項式加權(quán)17.5-41.58.6切比雪夫(-30dB)15.1-30.09.3泰勒(-25dB)14.2-25.39.8從表中數(shù)據(jù)可以看出四種方案在主瓣寬度、旁瓣電平與方向性系數(shù)之間呈現(xiàn)出清晰的權(quán)衡關(guān)系均勻加權(quán)擁有最窄的主瓣寬度12.7°與最高的方向性系數(shù)10.4dBi但其峰值旁瓣電平高達(dá)-13.2dB意味著來自偏離主瓣30°方向、功率僅比主瓣低13.2dB的干擾信號就可能阻塞接收鏈路抗干擾能力最弱。二項式加權(quán)將峰值旁瓣壓低至-41.5dB抗干擾能力極強(qiáng)但主瓣寬度增加至17.5°相比均勻加權(quán)展寬37.8%方向性系數(shù)下降至8.6dBi下降1.8dB意味著相同發(fā)射功率下覆蓋距離明顯縮短且角分辨能力大幅下降難以區(qū)分空間上靠近的兩個用戶。切比雪夫加權(quán)在-30dB的旁瓣約束下實現(xiàn)了15.1°的主瓣寬度相比均勻加權(quán)僅展寬18.9%方向性系數(shù)下降1.1dB是低旁瓣方案中主瓣展寬最小的體現(xiàn)了其在給定旁瓣電平下主瓣最窄的最優(yōu)特性。泰勒加權(quán)以-25.3dB的旁瓣電平換取了14.2°的主瓣寬度與9.8dBi的方向性系數(shù)在四項指標(biāo)中取得了較好的綜合平衡尤其適用于對近端干擾抑制有要求、同時希望保持較高陣列增益的場景。3.3 錐削強(qiáng)度與性能的定量關(guān)系進(jìn)一步分析錐削強(qiáng)度這一連續(xù)變量的影響規(guī)律。以切比雪夫加權(quán)為例將其目標(biāo)旁瓣電平從-20dB逐步壓低至-45dB觀察主瓣寬度的變化當(dāng)旁瓣目標(biāo)從-20dB降至-25dB時主瓣寬度從13.6°增至14.2°展寬幅度為4.4%從-25dB降至-30dB時主瓣展寬至15.1°展寬幅度增至6.3%從-30dB降至-40dB時主瓣寬度達(dá)到16.8°展寬幅度為11.3%繼續(xù)壓低至-45dB時主瓣寬度達(dá)到18.1°展寬幅度為19.9%。這一數(shù)據(jù)揭示出錐削強(qiáng)度與性能代價之間的非線性關(guān)系旁瓣電平每壓低5dB主瓣展寬代價遞增。當(dāng)旁瓣要求優(yōu)于-30dB之后繼續(xù)壓低旁瓣帶來的主瓣展寬代價急劇上升性價比顯著下降。因此在工程設(shè)計中-30dB通常被視作旁瓣抑制的合理目標(biāo)本研究的仿真數(shù)據(jù)為這一經(jīng)驗值提供了定量支撐。?? 運(yùn)行結(jié)果 參考文獻(xiàn)往期回顧掃掃下方二維碼