波束形成與智能天線(xiàn)

1、5.3 相位控制陣列天線(xiàn)5.4 數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線(xiàn)25.3 相位控制陣列天線(xiàn)相位控制陣列天線(xiàn)基本原理：通過(guò)控制信號(hào)在陣內(nèi)的延遲 以抵消來(lái)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(lái)控制器波束的指向。B35.3.1 5.3.1 二元相控陣天線(xiàn)二元相控陣天線(xiàn)()()( )()( )( )1 ( )BBBjjx tx tx tx t eex t ( )y tB延遲 陣元1陣元2y(t)x(t)x(t+?) +()Bx t 陣列輸出：4()( )1 ( )Bjy tex t 陣列輸出：其中： 稱(chēng)為空

2、間相差，是由電磁波空間波程差 引起的相位差。 稱(chēng)為陣內(nèi)相差，是由陣內(nèi)延遲單元延遲 引起的相位差B5。陣內(nèi)相差 對(duì)應(yīng)的波束指向?yàn)椋?天線(xiàn)陣列的幅度方向圖為： B02sinBBd( )2 cos()2BA6天線(xiàn)陣列的幅度方向圖：( )2 cos()2BA0/ 2,00-0( )2 cos()2 cos222sin=sin( )2 cos2BBABdAd分別為 和 時(shí)：當(dāng) 時(shí)，將公式代入上式得：由描點(diǎn)法可畫(huà)出上式所對(duì)應(yīng)的二元相控陣的幅度方向圖（見(jiàn)教材）70-當(dāng)時(shí)，( )2 cos()2 sin222sin將公式=sin 代入上式得：( )2 sin2由描點(diǎn)法可畫(huà)出上式所對(duì)應(yīng)的二元相控陣的幅度方向圖（

3、見(jiàn)教材)BABdA8+延遲 陣元1y(t)x(t)x(t+?) 由二元相控陣天線(xiàn)原理框圖：0）BB在d=/2的情況下，當(dāng)延遲單元引起的相差 為0時(shí)，相當(dāng)于陣元接收的信號(hào)在陣內(nèi)沒(méi)發(fā)生延遲；當(dāng) 為時(shí)，當(dāng)入射波來(lái)自陣法線(xiàn)方向（0或）時(shí)，兩個(gè)陣元接收到的信號(hào)是同相的，但由于陣元件接收到的信號(hào)經(jīng)延遲單元相移后反相相加，因此信號(hào)正好抵消，成為波束的零點(diǎn)；當(dāng)入射波來(lái)自陣切線(xiàn)方向（/2或3/2）時(shí)，由于兩陣元間隔半個(gè)波長(zhǎng)，因些，兩陣元接收到的信號(hào)是反相的，因此陣元件接收到的信號(hào)強(qiáng)度增加一倍，此時(shí)波束指向變成陣列的切線(xiàn)方向。陣元1x(t)陣元2()Bx tB+延遲 x(t+?) y(t)陣元1x(t)陣元2()

4、Bx tB+延遲 x(t+?) 9由此可見(jiàn)，通過(guò)控制陣元發(fā)射或接收到的信號(hào)間的相位就可以改變陣列天線(xiàn)的波束指向。10由5.2.1節(jié)公式5.16 (1( )jy tex t ）（）知：由N個(gè)均勻排列在一條直線(xiàn)上的陣元組成的相控陣天線(xiàn)的輸出：+j(i-1)(-1( )x( )BNiy tte）11相應(yīng)的幅度方向函數(shù)為：0000sin() / 2=sin() / 2sin(sinsin)(sin(sinsin)a(sinsin)a(sinsin)BBBBBBNdNddSNNdS 代）（ 化 抽 樣 ） A12當(dāng)N很大時(shí)，上式可近似為：00000sin(sinsin)sin(sinsin)sin(si

5、nsin)0sin)(sinsin)a(sinsin)BBBBBdNddNxxxddN SN（ 趨于 時(shí)， A13由上式可知，大陣列（N很大）的均勻直線(xiàn)相控陣天線(xiàn)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arcsin2 dBB2sinBBd得波束指向：2、波束寬度：0.5151cosBNd143、副瓣電平： l220lg(d )(21)FBl4、零點(diǎn)位置：002arcsin2sin(2PBpddN第p個(gè)零點(diǎn)）5、方向增益：GDN15均勻直線(xiàn)相控陣天線(xiàn)是最為簡(jiǎn)單的相控陣天線(xiàn)。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的相控陣天線(xiàn)，影響其方向圖的因素有：陣元的排列與間隔陣元間的相位關(guān)系陣元的元因子16陣元的

6、排列與間隔（d)： 空間相差：arcsin2 dBB陣元的排列與間隔決定了陣列的空間相差，從而決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。定了波束的形狀。陣元可排列為直線(xiàn)陣，圓陣，面陣或者共形陣。陣元可排列為直線(xiàn)陣，圓陣，面陣或者共形陣。陣無(wú)的間隔可均勻排列或非均勻排列。陣無(wú)的間隔可均勻排列或非均勻排列。17陣元間的相位關(guān)系( ):BB或陣元間的相位關(guān)系決定了陣列的陣內(nèi)相差，系統(tǒng)通過(guò)控制陣元間的相位差就可以控制天線(xiàn)波束的指向。arcsin2 dBB18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。 F A因此，同樣的天線(xiàn)陣列，采用不同的陣

7、元，所獲因此，同樣的天線(xiàn)陣列，采用不同的陣元，所獲得的方向圖是不同的。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(xiàn)出現(xiàn)的柵瓣。序上抑制相控陣天線(xiàn)出現(xiàn)的柵瓣。195.3.3 5.3.3 相控陣天線(xiàn)的相位控制方法相控陣天線(xiàn)的相位控制方法無(wú)線(xiàn)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

8、；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(guò)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(guò)數(shù)字多波束形成算法同時(shí)獲得不同指向的波束，無(wú)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(chēng)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

9、更難保證。235.3.4 5.3.4 寬帶相控陣天線(xiàn)寬帶相控陣天線(xiàn)對(duì)于超寬帶的軟件無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，如果仍采用以相位控制器來(lái)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(xiàn)的小事指向產(chǎn)生偏移，天線(xiàn)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(xiàn)中被告稱(chēng)為孔徑效應(yīng)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(lái)代替間接的相位控制。這種方法在相控陣天線(xiàn)中也稱(chēng)為真延時(shí)法真延時(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)

10、法。時(shí)法和數(shù)字延時(shí)法。242.數(shù)字延時(shí)法：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(xiàn)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(lái)近似實(shí)現(xiàn)。其中，內(nèi)插的方法應(yīng)用更多。25（1 1）、低通內(nèi)插濾波器（）、低通內(nèi)插濾波器（SincSinc內(nèi)插器）：內(nèi)插器）： 其單位沖激響應(yīng)為：sin ()( )()ddnh nn26（2 2）、頻率采樣內(nèi)插濾波器：）、頻率采樣內(nèi)插濾波器： 其單位沖激響應(yīng)為：sin ()( )()sinddnh nnNN27（3 3）、拉格朗日內(nèi)插濾波器：）、拉格朗日內(nèi)插濾波器：

11、 其單位沖激響應(yīng)為：0( )Ndii nih nni 28（4 4）、最平均數(shù)延遲內(nèi)插濾波器（）、最平均數(shù)延遲內(nèi)插濾波器（SASSAS濾波器濾波器) )： 其單位沖激響應(yīng)為：21,01( )( 1)()22110,1,2,3,2Mi ln M ili Ml iiih nMnliin 其中，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(jiàn)，幅度響應(yīng)起伏大?。侯l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

12、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(kāi)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(lèi)型和合考慮信號(hào)的帶寬和采樣率，濾波器類(lèi)型和參數(shù)等因素，以使信號(hào)的歸一化帶寬位于延參數(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。的范圍內(nèi)，從而獲量較高的波束控制精度。3

13、15.4 數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線(xiàn)數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線(xiàn)自適應(yīng)天線(xiàn)自適應(yīng)天線(xiàn)：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(xiàn)。由于自適應(yīng)天線(xiàn)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?jǐn)?shù)字波束形成理論波束形成理論，利用軟件編程靈活實(shí)現(xiàn)。325.4.1 5.4.1 空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波空域?yàn)V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(xiàn)陣列的發(fā)射天線(xiàn)，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(xiě)為：00(1)12(1)sin121()sin01100( )2( )

14、(sin( )(1)2sin( )Nj iiNj idiNj ndnNjnudnI i eI i edI n einuI n e將代 入 ） A33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：1012()0( )( )siwNjwnnNjf ntnH eh n eh n e fH34對(duì)比A和H的表達(dá)式，可以看出，均勻直線(xiàn)陣列天線(xiàn)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(xiàn)陣列天線(xiàn)的方向函數(shù)時(shí)，往往將陣列天線(xiàn)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(lái)來(lái)。35陣列天線(xiàn)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：空域參數(shù)時(shí)域參數(shù)

15、空間采樣間隔 時(shí)間采樣間隔空間頻率 時(shí)間頻率 f f空間角頻率 時(shí)間角頻率 w w天線(xiàn)激勵(lì)電流 系統(tǒng)沖激響應(yīng) h(n)h(n)空間頻譜 或 時(shí)間頻譜 h(f)h(f) 或 h(w) h(w) 1sin( )A( )A uI(n)udst36由上表可知，陣列天線(xiàn)的方向圖可視為空域上的頻譜分布，有時(shí)也將其稱(chēng)為角譜角譜。對(duì)于二維陣列天線(xiàn)，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。372.空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波：自適應(yīng)陣列天線(xiàn)波束形成的基本思想：陣列天線(xiàn)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

16、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(jiàn)：空域?yàn)V波：空域?yàn)V波就是通過(guò)調(diào)整自適應(yīng)陣列天線(xiàn)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(wú)用或干擾信號(hào)，從而使無(wú)線(xiàn)電接收能獲得最大的輸入信干比。頻域?yàn)V波：頻域?yàn)V波則是通過(guò)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(guò)通帶得以增強(qiáng)，使無(wú)用或干擾信號(hào)通過(guò)阻帶得以抑制?？沼虿úê皖l域?yàn)V波都是選擇有用信號(hào)，但空域波波處于前端天線(xiàn)部分，而頻域?yàn)V波處于接收機(jī)的射頻，中頻或基帶部分。395.4.2 5.4.2 陣列天線(xiàn)的幅相加權(quán)與波束賦形陣

17、列天線(xiàn)的幅相加權(quán)與波束賦形相控陣天線(xiàn)中，系統(tǒng)通過(guò)相位控制來(lái)控制天線(xiàn)波束指向。在陣列天線(xiàn)中，陣列天線(xiàn)還可以通過(guò)幅度加權(quán)或者幅相加權(quán)來(lái)控制天線(xiàn)波束參數(shù)，如指向，形狀等。對(duì)天線(xiàn)陣因子： (1)1Nj iiiAwe ( 1)1Nj iiAe 進(jìn)行加權(quán)處理得：1.1.幅度加權(quán)與副瓣抑制：幅度加權(quán)與副瓣抑制：40由加權(quán)陣因子2.2.幅相加權(quán)與零點(diǎn)控制：幅相加權(quán)與零點(diǎn)控制：均勻直線(xiàn)陣列天線(xiàn)中，系統(tǒng)對(duì)各陣元進(jìn)行幅相加權(quán)（用加權(quán)矢量w表示），系統(tǒng)就可以改變波束的零點(diǎn)。 (1)1Nj iiiAwe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

18、可畫(huà)出天線(xiàn)的波束形狀。iw A根據(jù)給定零點(diǎn)求解天線(xiàn)波束形狀的方法步驟：根據(jù)給定零點(diǎn)求解天線(xiàn)波束形狀的方法步驟：413.3.波束控制的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)：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。42NO.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

19、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 5.4.3 數(shù)字波束形成的基本方法數(shù)字波束形成的基本方法1.1.數(shù)字單波束形成（以均勻直線(xiàn)陣接收波束形成為例）：數(shù)字單波束形成（以均勻直線(xiàn)陣接收波束形成為例）：i0i0cossinIiQi 式中，44加權(quán)后第i個(gè)陣元信號(hào)變?yōu)椋篿0i0cossiniBiBIwiiQwii 展開(kāi)得：iiiiiicossinsin+cosiBiBiBiBII wiQwiQI wiQwi 用矩陣表示為

20、：iiicossinIsincosiBiBiBiBiwiwiIwiwiQQ451.1.數(shù)字多波束形成：數(shù)字多波束形成：多波束形成是指在一個(gè)陣列天線(xiàn)上產(chǎn)生多個(gè)形狀，指向各不相同的發(fā)射或接收波束。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(xiàn)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(xiàn)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： 1i=0=BkNjijikiFwee相位加權(quán)值 按波束序號(hào)k取離散值，則有： Bk2BkkN其對(duì)應(yīng)的波束指向角為： arcsinBkkNd47 1i=0=BkNjijikiFwee中令：公式j(luò)iiiwex波束方向函數(shù) 可表示為 ，則有： kF F k 12/0Njik NiiF kxe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(chēng)為FFTFFT數(shù)字多波束數(shù)字多波束形成算法形成算法。 ix2kN 485.4.4 5.4.4 自適應(yīng)天線(xiàn)與自適應(yīng)算法