自適應天線第一章分解課件

1、1自 適 應 天 線 第一章：緒論 第三章：自適應陣的性能與限制 第二章：自適應陣的反饋概念 第四章：自適應天線的應用第1頁，共18頁。2第一章 緒論一切無線系統(tǒng),包括無線電通信、廣播、導航等工程系統(tǒng)都是通過無線電波的發(fā)射、接收來進行工作的；無線電波的發(fā)射與接收離不開天線,天線是無線電波的入口與出口；天線設計直接影響著無線系統(tǒng)的整體性能；天線分類：單個天線;天線陣。第2頁，共18頁。3天線陣：經合理設計,提供適當?shù)姆群拖辔患詈?天線陣可設計為功能強大、理論上說可具有任意形狀的方向圖。例如相控陣波束掃描,低副瓣/超低副瓣，多波束，賦形波束，方向圖零點控制，全向波束等；但是在實際應用環(huán)境中，僅

2、僅實現(xiàn)預先給定的方向圖仍然不夠，因為在許多實際系統(tǒng)中，所需要的天線陣方向圖確切形狀往往無法事先預測。譬如：雷達系統(tǒng)：敵方干擾源方向和噪聲對需要信號的干擾.通信系統(tǒng)：需要信號的來波方向的判定；于是人們很自然地想到：能否設計出一種對于環(huán)境變化自動適應的天線陣呢？YES!答案就是自適應天線(陣)第3頁，共18頁。4一、自適應天線的起源與發(fā)展自適應天線的發(fā)展可以追溯到二十世紀五十年代。1956年，Altman和Sichak提出使用鎖相環(huán)技術來組合從不同接收天線接收到的信號的方法。基本原理：在將各陣元信號相加來產生陣列輸出之前,調準各陣元信號相對于參考信號的相位。第4頁，共18頁。5圖1.1 鎖相環(huán)陣列

3、利用鎖相環(huán),自動調整s1(t)和r(t)相位直至相同；對于所有陣元均選用同一參考信號r(t)；故s1(t)和s2(t)均同相, 同相信號再相加就可得出最大的輸出信號功率。第5頁，共18頁。6鎖相環(huán)陣的方向圖是由來波信號的方向控制的。它可以自動形成一個跟蹤信號的波束。 鎖相環(huán)陣甚至可用于抑制噪音，能在輸出端產生最大可能的信噪比（D.E. Svoboda, IEEE TAP,1964）。 鎖相環(huán)陣的缺點：易受干擾.因為只能跟蹤一個信號。若有幾個信號，則陣就容易分辨不清。若到達的干擾信號比需要信號強時,干擾信號就很容易被天線的波束所截獲。第6頁，共18頁。7第7頁，共18頁。8由于鎖相環(huán)陣易受干擾信

4、號影響，人們開始探索一些新的自適應天線陣。二十世紀六十年代早期，兩個研究小組獨立地提出了自適應干擾置零的概念.小組一: GE的P.W.Howells, 旁瓣抵消器 (US Patent, Aug. 1965);小組二: GE的S.P.Applebaum, 最大化SNR (Technical Report, Aug. 1966);1967年，Shor發(fā)表了關于自適應陣的論文shor陣;1967年，B.Widrow發(fā)表了稱為LMS(最小均方)自適應陣的論文;第8頁，共18頁。9上述貢獻開創(chuàng)了自適應陣領域研究領域；隨后的發(fā)展大約經歷了三個階段:第一階段: (大約十年)主要集中在自適應波束控制上,如返

5、向波束、自適應相控天線等；第二階段: 主要集中在零點控制上；如自適應濾波器、自適應調零、自適應旁瓣對消、自適應雜波抑制等等；第三階段: 主要集中在空間譜估計上，如最大似然估計、最大熵譜估計、特征空間估計等等;第9頁，共18頁。10隨著電子計算機、大規(guī)模集成電路和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，采用數(shù)字處理方法來形成相控陣雷達接收波束變?yōu)榭赡?；相應地，與自適應陣結合形成了數(shù)字波束形成器(DBF);自適應天線在無線通信領域與各種通信形式如TDMA、CDMA等相結合形成了智能天線; MIMO；自適應天線在各種不同的應用領域有許多大體等價的名稱：空域自適應濾波器、數(shù)字波束形成(DBF)、自適應陣列、智能天線等

6、。第10頁，共18頁。11二、自適應天線的共性對每個陣元的信號同時進行增益(Ai)和相位( i)調整;自適應問題優(yōu)化問題(關于增益和相位的變量優(yōu)化);性能指標優(yōu)化目標,如Max(SINR);(注:SINRSignal to Interference plus Noise Ratio; 信號與干擾加噪聲比)圖1.2 普通的自適應陣第11頁，共18頁。12各種性能指標的選?。喝Q于具體應用。數(shù)字通信系統(tǒng)：誤碼率最??；雷達系統(tǒng)：在給定的虛警概率下發(fā)現(xiàn)信號的概率最大；實際應用中，上述理想的性能指標很難直接在陣列輸出端用于性能估計。 常用以下兩種更為實用的優(yōu)化準則:最小均方誤差準則 (即陣列實際輸出與理

7、想輸出之差的均方值最小)；輸出端SINR最大準則；根據(jù)這兩種方法可以得到陣列方向圖的反饋控制的有用形式,而且有以下規(guī)律:SINR增大，誤碼率降低；SINR增大，雷達檢測概率增加。第12頁，共18頁。13與常規(guī)天線陣相比較的相同點：自適應陣與常規(guī)天線陣一樣都是單個天線單元在空間的中的排列，都需要通過控制各陣元的幅度或相位激勵來控制天線陣的性能。 自適應天線(陣）可采用任意的陣元方向圖、極化和間距工作； 對于自適應天線(陣)，傳統(tǒng)的天線性能指標用處不太大，如天線增益、旁瓣電平、波束寬度等。傳統(tǒng)的天線常常需要低旁瓣以使得從主瓣之外的進入的輻射最小, 而自適應天線只需要在干擾方向產生零點;自適應陣的方

8、向圖在某些方向可能有很高的旁瓣，但那些方向沒有干擾信號。自適應天線更關心的是系統(tǒng)性能，如SINR最大、均方誤差最小等。三、自適應天線（陣）的特點第13頁，共18頁。14四、學習的目的、方法及其要求掌握自適應天線的基本概念、作用；掌握自適應天線的理論基礎、典型形式與最佳算法；掌握自適應天線的基本性能與限制；了解自適應天線的研究進展、各應用領域的應用特點；學習自適應天線需要更多的信號與系統(tǒng)的知識，這一點體現(xiàn)出了學科之間的交叉性。第14頁，共18頁。15五、主要參考書【1】龔耀寰，自適應濾波，電子工業(yè)出版社，2003.【2】G.V. Tsoulos，Adaptive Antennas for Wir

9、eless Communications ，IEEE Press, 2001. 【3】IEEE Transactions on Antennas and Propagation 相關文章。第15頁，共18頁。16設有如右圖所示的二元陣用來接收信號。其中入射平面波從方向入射，陣元間距為d=/2，w1和w2為加權因子。我們該如何求解此二元陣的方向圖函數(shù)并且分析w1和w2對該陣列零點的控制作用呢?例子：二元陣解答:設X1=A(t)ej/2X2=A(t)e-j/2其中:A(t)是輸入信號幅度因子;而可以得到:第16頁，共18頁。17上式便是該二元陣的方向圖函數(shù)。下面我們來討論w1和w2的作用:當w1=w2時, F ( )= 2cos( sin /2);當限制w1和w2的取值為w1+w2=1時，要使得波束在1方