1、第五章 關(guān)于波束形成理論與智能天線技術(shù),5.3 相位控制陣列天線,5.4 數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線,2,5.3 相位控制陣列天線,基本原理： 通過控制信號(hào)在陣內(nèi)的延遲 以抵消來自不同方向的信號(hào)在空間的延遲，以使各陣元間的信號(hào)能夠同相相加，從而獲得波束指向和方向增益。 利用陣元的排列獲得波束的形狀，利用陣元間相位的控制來控制器波束的指向。,3,5.3.1 二元相控陣天線,陣列輸出：,4,陣列輸出：,其中： 稱為空間相差，是由電磁波空間波程差 引起的相位差。 稱為陣內(nèi)相差，是由陣內(nèi)延遲單元延遲 引起的相位差,5,。 陣內(nèi)相差 對(duì)應(yīng)的波束指向?yàn)椋?天線陣列的幅度方向圖為：,6,天線陣列的幅度方向圖：

2、,7,8,延遲,陣元1,y(t),x(t),x(t+),由二元相控陣天線原理框圖：,陣元1,x(t),9,10,由5.2.1節(jié)公式5.16,知： 由N個(gè)均勻排列在一條直線上的陣元組成的相控陣天線的輸出：,11,相應(yīng)的幅度方向函數(shù)為：,12,當(dāng)N很大時(shí)，上式可近似為：,13,由上式可知，大陣列（N很大）的均勻直線相控陣天線的方向參數(shù)近似為抽樣函數(shù)，其主要參數(shù)如下：,1、波束指向：由公式,得波束指向：,2、波束寬度：,14,3、副瓣電平：,4、零點(diǎn)位置：,5、方向增益：,15,均勻直線相控陣天線是最為簡(jiǎn)單的相控陣天線。 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的相控陣天線，影響其方向圖的因素有： 陣元的排列與間隔 陣元間的相

3、位關(guān)系 陣元的元因子,16,陣元的排列與間隔（d)： 空間相差：,陣元的排列與間隔決定了陣列的空間相差，從而決定了波束的形狀。 陣元可排列為直線陣，圓陣，面陣或者共形陣。 陣無的間隔可均勻排列或非均勻排列。,17,陣元間的相位關(guān)系( ):,陣元間的相位關(guān)系決定了陣列的陣內(nèi)相差，系統(tǒng)通過控制陣元間的相位差就可以控制天線波束的指向。,18,陣元的元因子：陣元的總方向函數(shù)是陣元的元因子（方向函數(shù) )和陣列的陣因子（ ）之積。,因此，同樣的天線陣列，采用不同的陣元，所獲得的方向圖是不同的。 另外，利用元因子的方向函數(shù)，還可以在一定程序上抑制相控陣天線出現(xiàn)的柵瓣。,19,5.3.3 相控陣天線的相位控制

4、方法,無線電系統(tǒng)一般分為射頻，中頻和基帶三大部分，其中基帶主要指數(shù)字基帶。 對(duì)陣元相位的控制可以在這三個(gè)環(huán)節(jié)中的任一環(huán)節(jié)進(jìn)行，相應(yīng)的將相位控制方法分為射頻移相法，中頻移相法和數(shù)字基帶移相法三種。,20,射頻移相法： 優(yōu)點(diǎn)： 移相處理位于系統(tǒng)的最前端，各陣元通道的一致性好，形成的波束受系統(tǒng)通道不一致的影響小； 缺點(diǎn)： 在射頻段移相的損耗大，相比于中頻移相其實(shí)現(xiàn)成本更高。,21,中頻移相法： 優(yōu)點(diǎn)： 可以靈活地選擇移相實(shí)現(xiàn)的頻率，相對(duì)于射頻移相的實(shí)現(xiàn)成本更低，移相的分辨率和精度更高。 缺點(diǎn)： 由于移相前接收信號(hào)經(jīng)過了各自通道的混頻器，因此系統(tǒng)對(duì)各通道混頻器間的一致性，穩(wěn)定性要求很高。,22,數(shù)字基

5、帶移相法: 優(yōu)點(diǎn)： 數(shù)字基帶移相法可以在一套硬件平臺(tái)上通過數(shù)字多波束形成算法同時(shí)獲得不同指向的波束，無需電子或機(jī)械掃描就可以覆蓋較大的角度范圍。 這種在數(shù)字基帶上采用數(shù)字方法進(jìn)行波束形成的技術(shù)稱為數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)。 缺點(diǎn)： 數(shù)字基帶移相系統(tǒng)中各陣元通道除需要A/D轉(zhuǎn)換外，一般還需要混頻處理，因此實(shí)現(xiàn)成本最高，各通道間的一致性更難保證。,23,5.3.4 寬帶相控陣天線,對(duì)于超寬帶的軟件無線電系統(tǒng)，如果仍采用以相位控制器來近似代替延遲控制的技術(shù)手段，那么在較大頻帶寬度內(nèi)同一相位信號(hào)的空間延遲就會(huì)相差較大，信號(hào)產(chǎn)生的陣內(nèi)延遲就不能在整個(gè)帶寬內(nèi)抵消信號(hào)的空間延遲，從而使得天線的小事指向產(chǎn)生

6、偏移，天線的方向增益下降等，在寬角掃描時(shí)更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象在相控陣天線中被告稱為孔徑效應(yīng)。 解決孔徑效應(yīng)的方法就是采用直批準(zhǔn)逮捕 延遲控制器來代替間接的相位控制。這種方法在相控陣天線中也稱為真延時(shí)法。 目前，實(shí)現(xiàn)真延時(shí)控制的方法主要有兩種：光纖延時(shí)法和數(shù)字延時(shí)法。,24,2.數(shù)字延時(shí)法：,數(shù)字延時(shí)法是利用數(shù)字延時(shí)算法對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理從而獲得不同的延時(shí)。 從理論上講，數(shù)字延時(shí)結(jié)構(gòu)就是一個(gè)理想的斜率任意可變的線性相位全通濾波器，但物理不可實(shí)現(xiàn)，只能采用內(nèi)插或逼近的方法來近似實(shí)現(xiàn)。 其中，內(nèi)插的方法應(yīng)用更多。,25,（1）、低通內(nèi)插濾波器（Sinc內(nèi)插器）：,其單位沖激響應(yīng)為：,26,（2）、頻率

7、采樣內(nèi)插濾波器：,其單位沖激響應(yīng)為：,27,（3）、拉格朗日內(nèi)插濾波器：,其單位沖激響應(yīng)為：,28,（4）、最平均數(shù)延遲內(nèi)插濾波器（SAS濾波器)：,其單位沖激響應(yīng)為：,29,這四種濾波器的幅頻特性和群延遲特性如教材P147-圖5.17所示： 由圖可見，幅度響應(yīng)起伏大小：頻率采樣內(nèi)插濾波器起伏最大，其交為低通內(nèi)插濾波器，而拉格朗日內(nèi)插濾波器在歸一化頻率F=0.8附近急劇下降。SAS內(nèi)插濾波器在幾乎所有的方向保持了較為平坦的幅度響應(yīng)。 群延遲特性：頻率采樣內(nèi)插濾波器的群延遲響應(yīng)起伏最大，其次為低通內(nèi)插濾波器，拉格朗日內(nèi)插濾波器在F0.6的區(qū)間內(nèi)群延遲響應(yīng)是這四種內(nèi)插濾波器中最平坦的，但在F=0.

8、8附近急劇下降。而SAS濾波器則在接近半帶的范圍內(nèi)的群延遲響應(yīng)較為平坦，而在另一半帶內(nèi)開始平緩下降。,30,因此，在選擇可變分?jǐn)?shù)延遲濾波器時(shí)，應(yīng)綜 合考慮信號(hào)的帶寬和采樣率，濾波器類型和參數(shù)等因素，以使信號(hào)的歸一化帶寬位于延遲濾波器幅度響應(yīng)和群延遲響應(yīng)都比較平坦的范圍內(nèi)，從而獲量較高的波束控制精度。,31,5.4 數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線,自適應(yīng)天線：要求系統(tǒng)能根據(jù)電磁環(huán)境變化自適應(yīng)的改變波束形狀和波束指向的天線。 由于自適應(yīng)天線要求能根據(jù)電磁環(huán)境變化自適應(yīng)的改變波束形狀和波束指向，因此不能采用因定的硬件移相或延時(shí)的方法，而是根據(jù)數(shù)字波束形成理論，利用軟件編程靈活實(shí)現(xiàn)。,32,5.4.1 空域

9、濾波與頻域?yàn)V波,1.時(shí)域空域的對(duì)應(yīng)關(guān)系： 對(duì)于一個(gè)基于均勻直線陣列的發(fā)射天線，當(dāng)其各個(gè)陣元的激勵(lì)電流各不相同時(shí)，根據(jù)陣因子與陣元間的相位差之間的關(guān)系，陣列的方向函數(shù)可寫為：,33,對(duì)于一個(gè)基于均勻采樣的時(shí)間離散系統(tǒng)，其時(shí)域有限沖激響應(yīng)h(n)對(duì)應(yīng)的頻域響應(yīng)為：,34,對(duì)比A和H的表達(dá)式，可以看出，均勻直線陣列天線的方向函數(shù)與其激勵(lì)電流間的關(guān)系也呈現(xiàn)為一個(gè)傅里葉變換關(guān)系，困此，分析均勻直線陣列天線的方向函數(shù)時(shí)，往往將陣列天線的空域參數(shù)與時(shí)間離散系統(tǒng)中時(shí)域參數(shù)對(duì)應(yīng)起來來。,35,陣列天線的空域參數(shù)與時(shí)間離散系統(tǒng)中時(shí)域參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：,36,由上表可知，陣列天線的方向圖可視為空域上的頻譜分布，有時(shí)

10、也將其稱為角譜。 對(duì)于二維陣列天線，其方向圖是三維的，將其波束指向角分解為空間兩個(gè)正交分量后，則其空間參數(shù)與二維時(shí)間離散系統(tǒng)的時(shí)間參數(shù)可以形成一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。,37,2.空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波：,自適應(yīng)陣列天線波束形成的基本思想： 陣列天線的空間參數(shù)與時(shí)間離散時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)域參數(shù)一一對(duì)應(yīng)后，其利用波束指向性選擇空間不同入射角度信號(hào)的機(jī)理與時(shí)間離散系統(tǒng)中利用不同的頻率響應(yīng)選擇不同頻帶位置信號(hào)的機(jī)理是相同的。,38,由教材p149圖5.18可見： 空域?yàn)V波：空域?yàn)V波就是通過調(diào)整自適應(yīng)陣列天線的參數(shù)，使得其方向圖中波束的主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)的入射方向，以最大限度壓制無用或干擾信號(hào)，從而使無線電接收能獲得最大的

11、輸入信干比。 頻域?yàn)V波： 頻域?yàn)V波則是通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，利用系統(tǒng)響應(yīng)在通帶和阻帶的不同增益，使有用信號(hào)通過通帶得以增強(qiáng)，使無用或干擾信號(hào)通過阻帶得以抑制。 空域波波和頻域?yàn)V波都是選擇有用信號(hào)，但空域波波處于前端天線部分，而頻域?yàn)V波處于接收機(jī)的射頻，中頻或基帶部分。,39,5.4.2 陣列天線的幅相加權(quán)與波束賦形,相控陣天線中，系統(tǒng)通過相位控制來控制天線波束指向。在陣列天線中，陣列天線還可以通過幅度加權(quán)或者幅相加權(quán)來控制天線波束參數(shù)，如指向，形狀等。 對(duì)天線陣因子：,進(jìn)行加權(quán)處理得：,1.幅度加權(quán)與副瓣抑制：,40,由加權(quán)陣因子,2.幅相加權(quán)與零點(diǎn)控制：,均勻直線陣列天線中，系統(tǒng)對(duì)各陣元進(jìn)行幅相

12、加權(quán)（用加權(quán)矢量w表示），系統(tǒng)就可以改變波束的零點(diǎn)。,以及幅度加權(quán)因子 的約束條件 并結(jié)合所要求的零點(diǎn)位置 可解出每一個(gè)加權(quán)因子的值，從而可以得出加權(quán)陣因子 并根據(jù)加權(quán)陣因子可畫出天線的波束形狀。,根據(jù)給定零點(diǎn)求解天線波束形狀的方法步驟：,41,3.波束控制的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)：,波束形狀的控制有三種目的：控制波束指向；控制波束副瓣；控制波束零點(diǎn)。 波束控制的方法有兩種: NO.1 先根據(jù)波束指向的要求計(jì)算出陣列的相位加權(quán)值； 根據(jù)波束副瓣的要求計(jì)算出陣列的輻相加權(quán)值； 然后根據(jù)波束零點(diǎn)的要求計(jì)算出陣列的幅相加權(quán)值； 最后再將三個(gè)加權(quán)值進(jìn)行綜合，得到陣列最終的幅度和相位回權(quán)值，去控制陣列的幅度和相位，從

13、而控制波束的形狀和指向。 特點(diǎn)：原理簡(jiǎn)單，成本低，不利于系統(tǒng)調(diào)試。,42,NO.2 采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中三咱波束控制要求的幅度和相位加權(quán)是分別計(jì)算和分別控制的，相互之間獨(dú)立性強(qiáng)，在校正時(shí)可以各個(gè)環(huán)節(jié)逐一進(jìn)行，有效提高了系統(tǒng)的校下在效率，對(duì)天基于軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)字波束形成特別實(shí)用。,43,第i個(gè)陣元的輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)字下變頻后可歸一化表示為：,5.4.3 數(shù)字波束形成的基本方法,1.數(shù)字單波束形成（以均勻直線陣接收波束形成為例）：,式中，,44,加權(quán)后第i個(gè)陣元信號(hào)變?yōu)椋?展開得：,用矩陣表示為：,45,1.數(shù)字多波束形成：,多波束形成是指在一個(gè)陣列天線上產(chǎn)生多個(gè)形狀，指向各不相同的發(fā)射或接收波束。

14、多波束形成可以用硬件實(shí)現(xiàn)。 幅相加權(quán)可以在射頻，中頻和數(shù)字基帶等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行，基于射頻波束形成的多波束陣列天線如教材P153圖5.22所示。,46,一個(gè)基于數(shù)字基帶波束形成的均勻直線多波束系統(tǒng)，其第k個(gè)波束經(jīng)同幅相加權(quán)后的方向函數(shù)可表示為：,相位加權(quán)值 按波束序號(hào)k取離散值，則有：,其對(duì)應(yīng)的波束指向角為：,47,中令：,公式,波束方向函數(shù) 可表示為 ，則有：,上式為輸入信號(hào) 的離散傅里中變換，當(dāng) 時(shí)，可以采用FFT實(shí)現(xiàn)，所以這種方法被稱為FFT數(shù)字多波束形成算法。,48,5.4.4 自適應(yīng)天線與自適應(yīng)算法,1.自適應(yīng)天線：,自適應(yīng)天線由陣列天線，自適應(yīng)處理器和波束形成網(wǎng)絡(luò)三部分組成。,49,圖

15、中的陣列天線用于接收外界信號(hào)，自適應(yīng)處理器首先判斷干擾波的到達(dá)方向（稱為DOA估計(jì)），然后根據(jù)波束零點(diǎn)位置的要求產(chǎn)生相應(yīng)的幅相回權(quán)值去控制波束形成網(wǎng)絡(luò)所需的波束，合成波束的輸出再反饋到自適應(yīng)處理器，以自動(dòng)地跟蹤干擾波的方向變化，并按照一定的算法準(zhǔn)則調(diào)整波束零點(diǎn)，最大程度地抑制干擾，提高系統(tǒng)的信號(hào)干擾比（SIR),因此，自適應(yīng)天線就是自適應(yīng)的空域?yàn)V波器。,50,自適應(yīng)處理器是自適應(yīng)天線的核心部分，主要功能是對(duì)輸入的干擾和信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì)并控制陣列的波束形成，以使輸出的信干比最大。 DOA的方法很多，可分為四種類型：傳統(tǒng)法，子空間法，最大似然法和綜合法。,51,2.自適應(yīng)波束形成算法：,自適應(yīng)是在數(shù)字域進(jìn)行的。自適應(yīng)天線的性能用性能量度來表示，常見的性能量度有遠(yuǎn)方誤差量度，信噪比量度，約束最優(yōu)化和功率倒置等。 自適應(yīng)天線的自適應(yīng)算法思想就是設(shè)定一種性