自适应天线-第一章

1、1 自自 适适 应应 天天 线线 第一章：绪论第一章：绪论 第三章：自适应阵的性能与限制第三章：自适应阵的性能与限制 第二章：自适应阵的反馈概念第二章：自适应阵的反馈概念 第四章：自适应天线的应用第四章：自适应天线的应用 2 第一章第一章 绪论绪论 一切无线系统一切无线系统, ,包括无线电通信、广播包括无线电通信、广播、导航等工程系统导航等工程系统 都是通过无线电波的发射都是通过无线电波的发射、接收来进行工作的；接收来进行工作的； 无线电波的发射与接收离不开天线无线电波的发射与接收离不开天线, ,天线是无线电波的入天线是无线电波的入 口与出口；口与出口； 天线设计直接影响着无线系统的整体性能；

2、天线设计直接影响着无线系统的整体性能； 天线分类：天线分类： 单个天线单个天线; ; 天线阵。天线阵。 3 天线阵：经合理设计天线阵：经合理设计,提供适当的幅度和相位激励后提供适当的幅度和相位激励后,天线阵可天线阵可 设计为功能强大、理论上说可具有任意形状的方向图。例如相设计为功能强大、理论上说可具有任意形状的方向图。例如相 控阵波束扫描控阵波束扫描,低副瓣低副瓣/超低副瓣，多波束，赋形波束，方向图零超低副瓣，多波束，赋形波束，方向图零 点控制，全向波束等；点控制，全向波束等； 但是但是在实际应用环境中，仅仅实现预先给定的方向图仍然不够，在实际应用环境中，仅仅实现预先给定的方向图仍然不够， 因

3、为在许多实际系统中，所需要的天线阵方向图确切形状往往因为在许多实际系统中，所需要的天线阵方向图确切形状往往 无法事先预测。譬如：无法事先预测。譬如： 雷达系统：敌方干扰源方向和噪声对需要信号的干扰雷达系统：敌方干扰源方向和噪声对需要信号的干扰. 通信系统：需要信号的来波方向的判定；通信系统：需要信号的来波方向的判定； 于是人们很自然地想到：能否设计出一种对于环境变化自动适于是人们很自然地想到：能否设计出一种对于环境变化自动适 应的天线阵呢？应的天线阵呢？ 答案就是自适应天线答案就是自适应天线( (阵阵) ) 4 一、自适应天线的起源与发展一、自适应天线的起源与发展 自适应天线的发展可以追溯到二

4、十世纪五十年代自适应天线的发展可以追溯到二十世纪五十年代。1956年年， Altman和和Sichak提出使用锁相环技术来组合从不同接收天线接收提出使用锁相环技术来组合从不同接收天线接收 到的信号的方法。到的信号的方法。 基本原理基本原理：在将各阵元信号相加来产生阵列输出之前：在将各阵元信号相加来产生阵列输出之前,调准各调准各 阵元信号相对于参考信号的相位。阵元信号相对于参考信号的相位。 5 图图1.1 锁相环锁相环阵列阵列 利用锁相环利用锁相环, ,自动调整自动调整s1(t)和和r(t)相位直至相同；对于所有阵元相位直至相同；对于所有阵元 均选用同一参考信号均选用同一参考信号r(t)；故故s

5、1(t)和和s2(t)均同相均同相, , 同相信号再相加同相信号再相加 就可得出最大的输出信号功率就可得出最大的输出信号功率。 6 锁相环阵的方向图是由来波信号的方向控制的。它可以自动形锁相环阵的方向图是由来波信号的方向控制的。它可以自动形 成一个跟踪信号的波束。成一个跟踪信号的波束。 锁相环阵甚至可用于抑制噪音，能在输出端产生最大可能的信锁相环阵甚至可用于抑制噪音，能在输出端产生最大可能的信 噪比（噪比（D.E. Svoboda, IEEE TAP,1964D.E. Svoboda, IEEE TAP,1964）。 锁相环阵的缺点：锁相环阵的缺点：易受干扰易受干扰. 因为只能跟踪一个信号。若

6、有几个信号，则阵就容易分辨不因为只能跟踪一个信号。若有几个信号，则阵就容易分辨不 清。若到达的干扰信号比需要信号强时清。若到达的干扰信号比需要信号强时,干扰信号就很容易被天线干扰信号就很容易被天线 的波束所截获。的波束所截获。 7 8 由于锁相环阵易受干扰信号影响，人们开始探索一些新的自适由于锁相环阵易受干扰信号影响，人们开始探索一些新的自适 应天线阵。应天线阵。 二十世纪六十年代早期，两个研究小组独立地提出了自适应干二十世纪六十年代早期，两个研究小组独立地提出了自适应干 扰置零的概念扰置零的概念. 小组一小组一: GE的的P.W.Howells, 旁瓣抵消器旁瓣抵消器 (US Patent,

7、 Aug. 1965); 小组二小组二: GE的的S.P.Applebaum, 最大化最大化SNR (Technical Report, Aug. 1966); 1967年，年，Shor发表了关于自适应阵的论文发表了关于自适应阵的论文shor阵阵; 1967年，年，B.Widrow发表了称为发表了称为LMS(最小均方最小均方)自适应阵的论文自适应阵的论文; 9 上述贡献开创了自适应阵领域研究领域；上述贡献开创了自适应阵领域研究领域； 随后的发展大约经历了三个阶段随后的发展大约经历了三个阶段: 第一阶段第一阶段: (大约十年大约十年)主要集中在自适应波束控制上主要集中在自适应波束控制上, 如返向

8、波束、自适应相控天线等；如返向波束、自适应相控天线等； 第二阶段第二阶段: 主要集中在零点控制上；如自适应滤波器、主要集中在零点控制上；如自适应滤波器、 自适应调零、自适应旁瓣对消、自适应杂波抑制等等；自适应调零、自适应旁瓣对消、自适应杂波抑制等等； 第三阶段第三阶段: 主要集中在空间谱估计上，如最大似然估主要集中在空间谱估计上，如最大似然估 计、最大熵谱估计、特征空间估计等等计、最大熵谱估计、特征空间估计等等; 10 随着电子计算机、大规模集成电路和数字信号处理随着电子计算机、大规模集成电路和数字信号处理 技术的发展，采用数字处理方法来形成相控阵雷达接收技术的发展，采用数字处理方法来形成相控

9、阵雷达接收 波束变为可能；相应地，与自适应阵结合形成了数字波波束变为可能；相应地，与自适应阵结合形成了数字波 束形成器束形成器(DBF); 自适应天线在无线通信领域与各种通信形式如自适应天线在无线通信领域与各种通信形式如 TDMA、CDMA等相结合形成了智能天线等相结合形成了智能天线; MIMO； 自适应天线在各种不同的应用领域有许多大体等价自适应天线在各种不同的应用领域有许多大体等价 的名称：空域自适应滤波器、数字波束形成的名称：空域自适应滤波器、数字波束形成(DBF)、自、自 适应阵列、智能天线等。适应阵列、智能天线等。 11 二、自适应天线的共性二、自适应天线的共性 对每个阵元的信号同时

10、进行对每个阵元的信号同时进行增益增益(Ai)和相位和相位( i)调整调整; 自适应问题自适应问题优化问题优化问题( (关于增益和相位的变量优化关于增益和相位的变量优化) ); 性能指标性能指标优化优化目标目标,如如Max(SINR); (注注:SINRSignal to Interference plus Noise Ratio; 信号与信号与 干扰加噪声比干扰加噪声比) 图图1.2 普通的自适应阵普通的自适应阵 12 各种性能指标的选取：取决于具体应用。各种性能指标的选取：取决于具体应用。 数字通信系统：误码率最小；数字通信系统：误码率最小； 雷达系统：在给定的虚警概率下发现信号的概率最大；

11、雷达系统：在给定的虚警概率下发现信号的概率最大； 实际应用中，上述理想的性能指标很难直接在阵列输出端用实际应用中，上述理想的性能指标很难直接在阵列输出端用 于性能估计。于性能估计。 常用以下两种更为实用的优化准则常用以下两种更为实用的优化准则: 最小均方误差准则最小均方误差准则 (即阵列实际输出与理想输出之差的均方即阵列实际输出与理想输出之差的均方 值最小值最小)； 输出端输出端SINR最大准则；最大准则； 根据这两种方法可以得到阵列方向图的反馈控制的有用形式根据这两种方法可以得到阵列方向图的反馈控制的有用形式, 而且有以下规律而且有以下规律: SINR增大，误码率降低；增大，误码率降低； S

12、INR增大，雷达检测概率增加。增大，雷达检测概率增加。 13 与常规天线阵相比较的相同点：自适应阵与常规天线阵一样都与常规天线阵相比较的相同点：自适应阵与常规天线阵一样都 是单个天线单元在空间的中的排列，都需要通过控制各阵元的幅度是单个天线单元在空间的中的排列，都需要通过控制各阵元的幅度 或相位激励来控制天线阵的性能。或相位激励来控制天线阵的性能。 自适应天线自适应天线(阵）可采用任意的阵元方向图、极化和间距工作；阵）可采用任意的阵元方向图、极化和间距工作； 对于自适应天线对于自适应天线(阵阵)，传统的天线性能指标用处不太大，如天，传统的天线性能指标用处不太大，如天 线增益、旁瓣电平、波束宽度

13、等。线增益、旁瓣电平、波束宽度等。 传统的天线常常需要低旁瓣以使得从主瓣之外的进入的辐射最传统的天线常常需要低旁瓣以使得从主瓣之外的进入的辐射最 小小, 而自适应天线只需要在干扰方向产生零点而自适应天线只需要在干扰方向产生零点;自适应阵的方向图自适应阵的方向图 在某些方向可能有很高的旁瓣，但那些方向没有干扰信号。在某些方向可能有很高的旁瓣，但那些方向没有干扰信号。 自适应天线更关心的是系统性能，如自适应天线更关心的是系统性能，如SINR最大、均方误差最最大、均方误差最 小等。小等。 三、自适应天线（阵）的特点三、自适应天线（阵）的特点 14 四、四、学习的目的、方法及其要求学习的目的、方法及其

14、要求 掌握掌握自适应天线的基本概念、作用；自适应天线的基本概念、作用； 掌握掌握自适应天线的理论基础、典型形式与最佳自适应天线的理论基础、典型形式与最佳 算法；算法； 掌握掌握自适应天线的基本性能与限制；自适应天线的基本性能与限制； 了解了解自适应天线的研究进展、各应用领域的应自适应天线的研究进展、各应用领域的应 用特点；用特点； 学习自适应天线需要更多的信号与系统的知识，学习自适应天线需要更多的信号与系统的知识， 这一点体现出了学科之间的交叉性。这一点体现出了学科之间的交叉性。 15 五、主要参考书五、主要参考书 【1】龚耀寰龚耀寰，自适应滤波自适应滤波，电子工业出版社，电子工业出版社，20

15、03. 【2】G.V. Tsoulos，Adaptive Antennas for Wireless Communications ，IEEE Press, 2001. 【3】IEEE Transactions on Antennas and Propagation 相关相关 文章。文章。 16 设有如右图所示的二元阵用来接收信号。设有如右图所示的二元阵用来接收信号。 其中入射平面波从其中入射平面波从方向入射，阵元间距为方向入射，阵元间距为 d=/2，w1和和w2为加权因子。为加权因子。 我们该如何求解此二元阵的方向图函数并我们该如何求解此二元阵的方向图函数并 且分析且分析w1和和w2对对该阵

16、列零点的控制作用呢该阵列零点的控制作用呢? 例子例子：二元阵：二元阵 解答解答: :设设 X1=A(t)ej/2 X2=A(t)e-j/2 其中其中:A(t)是输入信号幅度因子是输入信号幅度因子;而而 可以得到可以得到: 2sin/sind /2/2 ( ).( ).() 12 jj YA tw ew eA t F 17 上上式便是该二元阵的方向图函数。下面我们来讨论式便是该二元阵的方向图函数。下面我们来讨论w1和和w2的作的作 用用: 当当w1=w2时时, F ( )= 2cos( sin /2); 当限制当限制w1和和w2的取值为的取值为w1+w2=1时，要使得波束在时，要使得波束在1方向产方向产 生零点，则有生零点，则有: 12 sin()/2sin()/2 11 12 1 0 jj w w wewe 1 sin() 1 2 sin() 1 1 1 1 1 j j w e w e 由此可得下式由此可得下式: sinsin 22 12