波束形成与智能天线资料

1、5.3 相位控制阵列天线 5.4 数字波束形成与自适应天线 2 5.3 相位控制阵列天线相位控制阵列天线 基本原理： 通过控制信号在阵内的延迟 以抵消来自不同方 向的信号在空间的延迟，以使各阵元间的信号能 够同相相加，从而获得波束指向和方向增益。 利用阵元的排列获得波束的形状，利用阵元间相 位的控制来控制器波束的指向。 B 3 5.3.1 5.3.1 二元相控阵天线二元相控阵天线 () () ( )() ( )( ) 1 ( ) B B B j j x tx t x tx t e ex t ( )y t B 延迟 阵元1 阵元2 y(t) x(t) x(t+?) + () B x t 阵列输出

2、： 4 () ( )1 ( ) B j y tex t 阵列输出： 其中： 称为空间相差，是由电磁波空间波程差 引起的相位差。 称为阵内相差，是由阵内延迟单元延迟 引起的相位差 B 5 。 阵内相差 对应的波束指向为： 天线阵列的幅度方向图为： B 0 2 sin BB d ( )2 cos() 2 B A 6 天线阵列的幅度方向图：( )2 cos() 2 B A 0 / 2,0 0 - 0( )2 cos()2 cos 22 2sin =sin( )2 cos 2 B B A B dA d分别为 和 时： 当 时， 将公式代入上式得： 由描点法可画出上式所对应的二元相控阵的幅度方向图 （见

3、教材） 7 0 - 当时，( )2 cos()2 sin 22 2sin 将公式=sin 代入上式得：( )2 sin 2 由描点法可画出上式所对应的二元相控阵的幅度方向图（见教材) B A B dA 8 + 延迟 阵元1 y(t) x(t) x(t+?) 由二元相控阵天线原理框图： 0） B B 在d=/2的情况下， 当延迟单元引起的相差 为0时，相当于阵元接收的信号在阵内没发生延迟； 当 为时，当入射波来自阵法线方向（0或）时，两个阵元接收到的信号是同相的， 但由于阵元件接收到的信号经延迟单元相移后反相相加，因此信号正好抵消，成为波束的零点； 当入射波来自阵切线方向（/2或3/2）时， 由

4、于两阵元间隔半个波长，因些，两阵元接收到的信号是反相的， 因此阵元件接收到的信号强度增加一倍，此时波束指向变成阵列的切线方向。 阵元1 x(t) 阵元2 () B x t B + 延迟 x(t+?) y(t) 阵元1 x(t) 阵元2 () B x t B + 延迟 x(t+?) 9 由此可见， 通过控制阵元发射 或接收到的信号间的相位 就可以改变阵列天线的波束指向。 10 由5.2.1节公式5.16 (1( ) j y tex t ）（） 知： 由N个均匀排列在一条直线上的阵元组成的相 控阵天线的输出： +j(i-1)(- 1 ( )x( ) B N i y tte ） 11 相应的幅度方向

5、函数为： 0 0 0 0 sin() / 2 = sin() / 2 sin(sinsin) ( sin(sinsin) a(sinsin) a(sinsin) B B B B B B N d N d d SN N d S 代） （ 化 抽 样 ） A 12 当N很大时，上式可近似为： 0 0 0 0 0 sin(sinsin) sin(sinsin) sin(sinsin) 0sin) (sinsin) a(sinsin) B B B B B d N d d N xxx d d N SN （ 趋于 时， A 13 由上式可知，大阵列（N很大）的均匀直线相控阵 天线的方向参数近似为抽样函数，其

6、主要参数如 下： 1、波束指向：由公式 arcsin 2 d BB 2 sin BB d 得波束指向： 2、波束宽度： 0.5 151 cos B Nd 14 3、副瓣电平： l 2 20lg(d ) (21) FB l 4、零点位置： 0 0 2 arcsin2sin( 2 PB pd dN 第p个零点） 5、方向增益： G D N 15 均匀直线相控阵天线是最为简单的相控阵天线。 对于一个实际的相控阵天线，影响其方向图的因素有： 阵元的排列与间隔 阵元间的相位关系 阵元的元因子 16 阵元的排列与间隔（d)： 空间相差： arcsin 2 d BB 阵元的排列与间隔决定了阵列的空间相差，从

7、而决阵元的排列与间隔决定了阵列的空间相差，从而决 定了波束的形状。定了波束的形状。 阵元可排列为直线阵，圆阵，面阵或者共形阵。阵元可排列为直线阵，圆阵，面阵或者共形阵。 阵无的间隔可均匀排列或非均匀排列。阵无的间隔可均匀排列或非均匀排列。 17 阵元间的相位关系( ): BB 或 阵元间的相位关系决定了阵列的阵内相差，系 统通过控制阵元间的相位差就可以控制天线波 束的指向。 arcsin 2 d BB 18 阵元的元因子：阵元的总方向函数是阵元的元因 子（方向函数 )和阵列的阵因子（ ）之积。 F A 因此，同样的天线阵列，采用不同的阵元，所获因此，同样的天线阵列，采用不同的阵元，所获 得的方

8、向图是不同的。得的方向图是不同的。 另外，利用元因子的方向函数，还可以在一定程另外，利用元因子的方向函数，还可以在一定程 序上抑制相控阵天线出现的栅瓣。序上抑制相控阵天线出现的栅瓣。 19 5.3.3 5.3.3 相控阵天线的相位控制方法相控阵天线的相位控制方法 无线电系统一般分为射频，中频和基带三大部分，其 中基带主要指数字基带。 对阵元相位的控制可以在这三个环节中的任一环节进 行，相应的将相位控制方法分为射频移相法，中频移 相法和数字基带移相法三种。 20 射频移相法： 优点： 移相处理位于系统的最前端，各阵元通道的一致 性好，形成的波束受系统通道不一致的影响小； 缺点： 在射频段移相的损

9、耗大，相比于中频移相其实现 成本更高。 21 中频移相法： 优点： 可以灵活地选择移相实现的频率，相对于射频 移相的实现成本更低，移相的分辨率和精度更 高。 缺点： 由于移相前接收信号经过了各自通道的混频器， 因此系统对各通道混频器间的一致性，稳定性 要求很高。 22 数字基带移相法: 优点： 数字基带移相法可以在一套硬件平台上通过数字多波 束形成算法同时获得不同指向的波束，无需电子或机 械扫描就可以覆盖较大的角度范围。 这种在数字基带上采用数字方法进行波束形成的技术 称为数字波束形成(DBF)技术。 缺点： 数字基带移相系统中各阵元通道除需要A/D转换外， 一般还需要混频处理，因此实现成本最

10、高，各通道间 的一致性更难保证。 23 5.3.4 5.3.4 宽带相控阵天线宽带相控阵天线 对于超宽带的软件无线电系统，如果仍采用以相位控 制器来近似代替延迟控制的技术手段，那么在较大频 带宽度内同一相位信号的空间延迟就会相差较大，信 号产生的阵内延迟就不能在整个带宽内抵消信号的空 间延迟，从而使得天线的小事指向产生偏移，天线的 方向增益下降等，在宽角扫描时更为严重，这种现象 在相控阵天线中被告称为孔径效应孔径效应。 解决孔径效应的方法就是采用直批准逮捕 延迟控制 器来代替间接的相位控制。这种方法在相控阵天线中 也称为真延时法真延时法。 目前，实现真延时控制的方法主要有两种：光纤延目前，实现

11、真延时控制的方法主要有两种：光纤延 时法和数字延时法。时法和数字延时法。 24 2.数字延时法：数字延时法： 数字延时法是利用数字延时算法对数字信号进行 处理从而获得不同的延时。 从理论上讲，数字延时结构就是一个理想的斜率 任意可变的线性相位全通滤波器，但物理不可实 现，只能采用内插或逼近的方法来近似实现。 其中，内插的方法应用更多。 25 （1 1）、低通内插滤波器（）、低通内插滤波器（SincSinc内插器）：内插器）： 其单位冲激响应为： sin () ( ) () d d n h n n 26 （2 2）、频率采样内插滤波器：）、频率采样内插滤波器： 其单位冲激响应为： sin ()

12、( ) () sin d d n h n n N N 27 （3 3）、拉格朗日内插滤波器：）、拉格朗日内插滤波器： 其单位冲激响应为： 0 ( ) N d ii n i h n ni 28 （4 4）、最平均数延迟内插滤波器（）、最平均数延迟内插滤波器（SASSAS滤波器滤波器) )： 其单位冲激响应为： 2 1,0 1 ( )( 1)()2 2 11 0,1,2,3,2M i l n M il i Ml i i i h nMn li i n 其中， 29 这四种滤波器的幅频特性和群延迟特性如教材P147-图 5.17所示： 由图可见，幅度响应起伏大小：频率采样内插滤波器起 伏最大，其交为低

13、通内插滤波器，而拉格朗日内插滤波 器在归一化频率F=0.8附近急剧下降。SAS内插滤波器在 几乎所有的方向保持了较为平坦的幅度响应。 群延迟特性：频率采样内插滤波器的群延迟响应起伏最 大，其次为低通内插滤波器，拉格朗日内插滤波器在 F0.6的区间内群延迟响应是这四种内插滤波器中最平坦 的，但在F=0.8附近急剧下降。而SAS滤波器则在接近 半带的范围内的群延迟响应较为平坦，而在另一半带内 开始平缓下降。 30 因此，在选择可变分数延迟滤波器时，应综因此，在选择可变分数延迟滤波器时，应综 合考虑信号的带宽和采样率，滤波器类型和合考虑信号的带宽和采样率，滤波器类型和 参数等因素，以使信号的归一化带

14、宽位于延参数等因素，以使信号的归一化带宽位于延 迟滤波器幅度响应和群延迟响应都比较平坦迟滤波器幅度响应和群延迟响应都比较平坦 的范围内，从而获量较高的波束控制精度。的范围内，从而获量较高的波束控制精度。 31 5.4 数字波束形成与自适应天线数字波束形成与自适应天线 自适应天线自适应天线：要求系统能根据电磁环境变化自 适应的改变波束形状和波束指向的天线。 由于自适应天线要求能根据电磁环境变化自适 应的改变波束形状和波束指向，因此不能采用 因定的硬件移相或延时的方法，而是根据数字数字 波束形成理论波束形成理论，利用软件编程灵活实现。 32 5.4.1 5.4.1 空域滤波与频域滤波空域滤波与频域

15、滤波 1.时域空域的对应关系： 对于一个基于均匀直线阵列的发射天线，当其各个 阵元的激励电流各不相同时，根据阵因子与阵元间 的相位差之间的关系，阵列的方向函数可写为： 0 0 (1) 1 2 (1)sin 1 2 1 ()sin 0 1 1 0 0 ( ) 2 ( )(sin ( )(1) 2sin( ) N j i i N j id i N j nd n N jnud n I i e I i ed I n ein uI n e 将代 入 ） A 33 对于一个基于均匀采样的时间离散系统，其时域有 限冲激响应h(n)对应的频域响应为： 1 0 1 2() 0 ( ) ( ) s iw N jw

16、n n N jf nt n H e h n e h n e fH 34 对比A和H的表达式，可以看出，均匀直线阵列 天线的方向函数与其激励电流间的关系也呈现 为一个傅里叶变换关系，困此，分析均匀直线 阵列天线的方向函数时，往往将阵列天线的空 域参数与时间离散系统中时域参数对应起来来。 35 阵列天线的空域参数与时间离散系统中时域参数对 应关系如下： 空域参数时域参数 空间采样间隔 时间采样间隔 空间频率 时间频率 f f 空间角频率 时间角频率 w w 天线激励电流 系统冲激响应 h(n)h(n) 空间频谱 或 时间频谱 h(f)h(f) 或 h(w) h(w) 1 sin ( )A ( )A

17、 u I(n) u d s t 36 由上表可知，阵列天线的方向图可视为空域上的 频谱分布，有时也将其称为角谱角谱。 对于二维阵列天线，其方向图是三维的，将其波 束指向角分解为空间两个正交分量后，则其空间 参数与二维时间离散系统的时间参数可以形成一 一对应的关系。 37 2.空域滤波与频域滤波： 自适应阵列天线波束形成的基本思想： 阵列天线的空间参数与时间离散时间系统的时 域参数一一对应后，其利用波束指向性选择空 间不同入射角度信号的机理与时间离散系统中 利用不同的频率响应选择不同频带位置信号的 机理是相同的。 38 由教材p149图5.18可见： 空域滤波：空域滤波就是通过调整自适应阵列天线

18、的 参数，使得其方向图中波束的主瓣对准有用信号的入 射方向，以最大限度压制无用或干扰信号，从而使无 线电接收能获得最大的输入信干比。 频域滤波： 频域滤波则是通过设计系统参数，利用系统响应在通 带和阻带的不同增益，使有用信号通过通带得以增强， 使无用或干扰信号通过阻带得以抑制。 空域波波和频域滤波都是选择有用信号，但空域波波 处于前端天线部分，而频域滤波处于接收机的射频， 中频或基带部分。 39 5.4.2 5.4.2 阵列天线的幅相加权与波束赋形阵列天线的幅相加权与波束赋形 相控阵天线中，系统通过相位控制来控制天线波束指 向。在阵列天线中，阵列天线还可以通过幅度加权或 者幅相加权来控制天线波

19、束参数，如指向，形状等。 对天线阵因子： (1) 1 N j i i i Awe ( 1) 1 N j i i Ae 进行加权处理得： 1.1.幅度加权与副瓣抑制：幅度加权与副瓣抑制： 40 由加权阵因子 2.2.幅相加权与零点控制：幅相加权与零点控制： 均匀直线阵列天线中，系统对各阵元进行幅相加权 （用加权矢量w表示），系统就可以改变波束的零点。 (1) 1 N j i i i Awe 以及幅度加权因子 的约束条件 并结合所要求的零点位置 可解出每一个加权 因子的值，从而可以得出加权阵因子 并根据加权阵因子可画出天线的波束形状。 i w A 根据给定零点求解天线波束形状的方法步骤：根据给定零

20、点求解天线波束形状的方法步骤： 41 3.3.波束控制的级联结构：波束控制的级联结构： 波束形状的控制有三种目的：控制波束指向；控制波束副 瓣；控制波束零点。 波束控制的方法有两种: NO.1 先根据波束指向的要求计算出阵列的相位加权值； 根据波束副瓣的要求计算出阵列的辐相加权值； 然后根据波束零点的要求计算出阵列的幅相加权值； 最后再将三个加权值进行综合，得到阵列最终的幅度和相 位回权值，去控制阵列的幅度和相位，从而控制波束的形 状和指向。 特点：原理简单，成本低，不利于系统调试。 42 NO.2 采用级联结构，级联结构中三咱波束控 制要求的幅度和相位加权是分别计算和分别 控制的，相互之间独

21、立性强，在校正时可以 各个环节逐一进行，有效提高了系统的校下 在效率，对天基于软件实现的数字波束形成 特别实用。 43 第i个阵元的输入信号经数字下变频后可归一化表示为： 5.4.3 5.4.3 数字波束形成的基本方法数字波束形成的基本方法 1.1.数字单波束形成（以均匀直线阵接收波束形成为例）：数字单波束形成（以均匀直线阵接收波束形成为例）： i0 i0 cos sin Ii Qi 式中， 44 加权后第i个阵元信号变为： i0 i0 cos sin iB iB Iwii Qwii 展开得： iii iii cossin sin+cos iBiB iBiB II wiQwi QI wiQwi

22、 用矩阵表示为： ii i cossinI sincos iBiB iBiB i wiwiI wiwiQQ 45 1.1.数字多波束形成：数字多波束形成： 多波束形成是指在一个阵列天线上产生多个形 状，指向各不相同的发射或接收波束。多波束 形成可以用硬件实现。 幅相加权可以在射频，中频和数字基带等各个 环节进行，基于射频波束形成的多波束阵列天 线如教材P153图5.22所示。 46 一个基于数字基带波束形成的均匀直线多波束系统， 其第k个波束经同幅相加权后的方向函数可表示为： 1 i=0 = Bk N jiji ki Fwee 相位加权值 按波束序号k取离散值，则有： Bk 2 Bk k N 其对应的波束指向角为： arcsin Bk k Nd 47 1 i=0 = Bk N jiji ki Fwee 中令：公式 ji ii wex 波束方向函数 可表示为 ，则有： k F F k 1 2/ 0 N jik N i i F kxe 上式为输入信号 的离散傅里中变换，当 时， 可以采用FFT实现，所以这种方法被称为FFTFFT数字多波束数字多波束 形成算法形成算法