波束形成与智能天线资料.pptx

第五章关于波束形成理论和智能天线技术，5.3相位控制阵列天线、5.4数字波束形成和自适应天线、2，5.3相位控制阵列天线，基本原理：通过控制信号阵列内的延迟以抵消来自不同方向的信号的空间延迟，来利用阵列的阵列来获得波束形状，并且利用对阵列之间的相位的控制来控制波束的定向。 3、3，5.3.1双相控阵天线，阵列输出：4，阵列输出：其中，被称为空间相位差，是由电磁波的空间距离差引起的相位差。 所谓阵列内相位差，是由阵列内延迟单元的延迟引起的相位差，5。 与阵列中的相位差对应的波束方向是天线阵列的宽度方向图：6、天线阵列的宽度方向图：7、8、延迟、阵列元件1、y(t )、x(t)、二维相控阵列天线原理方框图：阵列元件1、x(t )、9、10、5 . 当由n个均匀排列的阵列元件构成的相控阵天线的输出：11、以及对应的振幅方向函数为：12、n大时，可以从上式：13、以及上式看到，大阵列(n大)的均匀的直线相控阵天线的方向参数被采样1、波束定向：公式，波束定向：2，波束宽度：14，3，子瓣级别：4，零位置：5，方向增益：15，均匀的直线相控阵天线是最简单的相控阵天线。 对于实际相控阵天线，影响其方向模式的因素有：阵列元素的阵列和空间阵列元素之间的相位关系阵列元素的元素因子、16、阵列元素的阵列和空间(d ) :空间差异：阵列元素的阵列和空间决定阵列的空间差异阵列元素可以排列成直线阵列、圆形阵列、面阵列或共形阵列。 没有数组的间隔可以均匀排列，也可以均匀排列。 另外，17、阵列之间的相位关系() :和阵列之间的相位关系可以确定阵列内的相位差，并且系统可以通过控制阵列之间的相位差来控制天线波束的定向。 18、图案要素的要素系数：图案要素的整体方向函数是图案要素的要素系数(方向函数)与图案要素的图案系数()的乘积。 因此，同一天线阵列采用不同的阵列元件，并且所得到的定向模式不同。 另外，还可以利用要素因子的方向函数，通过一定的程序来抑制出现在相控阵列天线上的门阀。19、5.3.3相控制阵列天线的相位控制方法，无线系统一般分为射频、中频和基带三大部分，其中基带主要指数字基带。 阵列元件的相位的控制可以在这三个过程中的任一过程进行，相位控制方法分为射频相位相移法、中频相位相移法和数字基带相移法三种。 20、射频移相法：优点：移相处理位于系统的最前端，各阵列的通道匹配性好，所形成的波束受系统信道失配的影响小，缺点：在射频频带移相的损失大，实现成本比中频移相高。 21，中频相移法：可以灵活地选择实现相移的频率，射频相位相移的实现成本更低，相移的分辨率和精度更高。 缺点：由于移相前接收信号通过各通道混频器，所以系统各通道混频器之间的一致性高，稳定性要求高。 另外，数字基带移相法：的优点：数字基带移相法可以通过数字多波束形成算法，同时在一系列硬件平台上获得不同方向的波束，而无需电子或机器扫描，能够复盖较宽的角度范围。 以数字方式对这种数字基带进行波束形成的技术被称为数字波束形成(DBF )技术。 缺点：在数字基带相移系统中，各阵列信道除了A/D转换外，一般需要混合处理，因此实现成本最高，难以保证各信道之间的一致性。另外，23、5.3.4宽带相控阵列天线对于超宽带软件无线系统，如果在相位控制器中采用类似的技术手段代替延迟控制，则相同相位信号的空间延迟在宽带中差异很大，基于信号的阵列内延迟在整个带宽上抵消信号的空间延迟在广角扫描中更严重的现象被称为相控阵天线中的开口效应，诸如天线的微小指向产生了偏差、天线的方向增益降低等。 该解决孔径效应的方法采用直接批准捕获延迟控制器来代替间接相位控制。 该方法在相控阵天线中也称为真延迟法。 目前，实现真正的延迟控制的方法主要有光纤延迟法和数字延迟法两种。 24、2 .数字延迟法：数字延迟法利用数字延迟算法来处理数字信号，并获得不同的延迟。 理论上，数字延迟结构是理想斜率任意可变的线性相位全通滤波器，但是却不能物理上实现，这只能通过内插或近似的方法来近似。 其中，插值方法应用得更好。25，(1)，低通内插滤波器(Sinc内插器):其单位冲激响应为：26，(2)，频率采样内插滤波器：其单位冲激响应为：27，(3)，拉格朗日内插滤波器：其单位冲激响应为：28，(4) 最大平均延迟内插滤波器(SAS滤波器):其单位脉冲响应为：29，这4种滤波器的振幅特性和群延迟特性如图教材P147-图5.17所示，振幅响应的波动的大小：频率采样内插滤波器的波动最大，其为低频SAS内插滤波器在几乎所有方向上都保持相对平坦的幅度响应。 群延迟特性：频率采样内插滤波器的群延迟响应波动最大，其次是低频内插滤波器、拉格朗日内插滤波器在F0.6的区间内群延迟响应最平坦，但在F=0.8附近急剧下降。 SAS滤波器在接近半频带的范围内群延迟响应平坦，而在其他半频带中开始缓慢地降低。 另外，当选择可变分数延迟滤波器时，因此必须在考虑信号的带宽和采样率、滤波器类型和参数等因素的基础上获得高波束控制精度，使得信号的归一化带宽处于延迟滤波器的幅度响应和组延迟响应相对平坦的范围内31，5.4数字波束形成和自适应天线，自适应天线：要求系统根据电磁环境的变化自适应地改变波束形状和波束定向的天线。 因为要求自适应天线根据电磁环境的变化来自适应地改变波束形状和波束定向，所以可以基于数字波束形成理论而不是预定硬件相移或延迟的方法，使用软件编程来灵活地实现。32、5.4.1空间区域滤波器与频域滤波器、1 .时域-空间区域的对应关系：对于基于均匀的直线阵列的发送天线，在各自的阵列元件的激励电流不同的情况下，根据阵列元件与阵列元件间的相位差的关系，阵列的方向函数为：33、 可见，对于基于均匀采样的时间离散系统，当将对应于该时域有限冲激响应h(n )的频域响应与： 当分析均匀线性阵列天线的方向函数时，通常将阵列天线的空间域参数与时间离散系统的时域参数相关联。35、阵列天线的空间域参数和时间离散系统中的时域参数之间的对应关系可以认为阵列天线的方向图可以认为空间域上的频谱分布，并也可以称为角度频谱。 在二维阵列天线中，如果其定向图是三维的，并且将其波束定向角分解为空间上的两个正交分量，则空间参数可以形成与二维时间离散系统的时间参数一对一关系。、37、2 .空间域滤波器和频域滤波器：自适应阵列天线的波束形成的基本思想：在阵列天线的空间参数和时间离散时间系统的时域参数一对一地对应后，利用波束方向性选择空间上不同的入射角度信号的机制对于时间离散系统而言是不同的频率响应如从图5.18中可以看出的，空间域滤波：空间域滤波对自适应阵列天线的参数进行调节，以使其方向图中的波束的主阀适合有用信号的入射方向，从而最大限度地抑制无用信号和干扰信号，并且使无线接收的输入信号干扰比达到最大频域滤波：频域滤波通过设计系统参数，利用系统响应的通带和阻带中的不同增益，在通带中增强有用信号，以抑制不需要的信号和干扰信号。 空域滤波在一起选择有用的信号，而空域滤波在前端天线部分，而频域滤波在接收机的射频、中频或基带部分。 在39、5.4.2阵列天线的幅度加权和波束成形，在相控阵列天线中，系统通过相位控制来控制天线的波束定向。 在阵列天线中，阵列天线还可以通过幅度加权或幅度加权来控制天线波束参数，例如定向、形状等。 阵列因子：进行加权处理：1 .振幅加权和副阀抑制：40，加权阵列因子，2 .振幅加权和零点控制：采用均匀的直线阵列天线，系统通过对各阵列元素进行振幅加权(用加权矢量w表示)，来改变波束的零点和考虑幅度权重系数的约束，通过组合必要的零位置对每个权重系数的值求解，可以导出权重阵列系数，并基于权重阵列系数描绘天线的波束形状。 从给定的零点获得天线的波束形状的方法步骤：41，3 .波束控制的级联结构：波束形状控制有三个目的：用于控制波束方向性的控制波束副阀控制波束零点。 波束控制方法包括两种：NO.1，首先基于波束指向的请求来计算阵列的相位加权值，波束副瓣的请求来计算阵列的辐射加权值，波束零点的请求来计算阵列的幅度加权值，最后将三个加权值合并到阵列的最终特点：原理简单，成本低，不利于系统调整。 42、NO.2采用级联结构，在级联结构中三我们的波束控制请求的宽度和相位加权分别是计算和个别控制，相互之间的独立性强，学校时期可以在每个环节进行，有效地提高了系统在学校的效率，天基于软件在第四十三、第I阵列元素的输入信号经数字下变频后，已规范化：5.4.3数字波束形成的基本方法、1 .数字单波束形成(以均匀线性阵列接收波束形成为示例):方程中、和加权的第I阵列元素信号45、1 .数字多波束形成：多波束形成指在一个阵列天线中产生多个形状并分别指不同的发射或接收波束。 多波束形成可以用硬件实现。 振幅加权可以在射频、中频和数字基带等各个环节中进行，基于射频波束形成的多波束阵列天线示于教材P153图5.22中。 在均匀线性多波束系统中，该第k波束以相同宽度进行加权的方向函数取：相位加权值取波束号k的离散值，其对应的波束定向角为：47，中令：公式，波束方向函数取：上、48、5.4.4自适应天线和自适应算法、1 .自适应天线：自适应天线由阵列天线、自适应处理器和波束赋形网络三部分组成。另外，因为图中的阵列天线接收外部信号，所以自适应处理器首先确定干扰波的到来方向(称为DOA估计)，根据波束零点位置的要求而产生波束赋形网络中所需的波束，并且合成波束的输出被反馈到自适应处理器，从而干扰波的方向变化为了根据给定的算法标准来调节波束零点，最大化干扰并增加系统的信号干扰比(SIR )，自适应天线是自适应空间滤波器。 另外，50、自适应处理器是自适应天线的核心部分，主要功能是对输入干扰和信号执行DOA估计，并控制阵列的波束形成以使从输出的信号与干扰比最大化。 DOA的方法很多，可以分为传统法、子空间法、最大似然法和综合法四种类型。51，2 .自适应波束形成算法：自适应是在数字域中执行的。 自适应天线的性能用性能测量表示，常见的性能测量有远处误差测量、信噪比测量、约束优化和功率反转等。 自适应天线的自适应算法思想设置了性能测量，基于此确定最佳幅度加