波束形成與智能天線資料

1、5.3 相位控制陣列天線 5.4 數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線 2 5.3 相位控制陣列天線相位控制陣列天線 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。 B 3 5.3.1 5.3.1 二元相控陣天線二元相控陣天線 () () ( )() ( )( ) 1 ( ) B B B j j x tx t x tx t e ex t ( )y t B 延遲 陣元1 陣元2 y(t) x(t) x(t+?) + () B x t 陣列輸出

2、： 4 () ( )1 ( ) B j y tex t 陣列輸出： 其中： 稱為空間相差，是由電磁波空間波程差 引起的相位差。 稱為陣內(nèi)相差，是由陣內(nèi)延遲單元延遲 引起的相位差 B 5 。 陣內(nèi)相差 對(duì)應(yīng)的波束指向?yàn)椋?天線陣列的幅度方向圖為： B 0 2 sin BB d ( )2 cos() 2 B A 6 天線陣列的幅度方向圖：( )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分別為 和 時(shí)： 當(dāng) 時(shí)， 將公式代入上式得： 由描點(diǎn)法可畫出上式所對(duì)應(yīng)的二元相控陣的幅度方向圖 （見

3、教材） 7 0 - 當(dāng)時(shí)，( )2 cos()2 sin 22 2sin 將公式=sin 代入上式得：( )2 sin 2 由描點(diǎn)法可畫出上式所對(duì)應(yīng)的二元相控陣的幅度方向圖（見教材) B A B dA 8 + 延遲 陣元1 y(t) x(t) x(t+?) 由二元相控陣天線原理框圖： 0） B B 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)自陣切線方向（/2或3/2）時(shí)， 由

4、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方向。 陣元1 x(t) 陣元2 () B x t B + 延遲 x(t+?) y(t) 陣元1 x(t) 陣元2 () B x t B + 延遲 x(t+?) 9 由此可見， 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的波束指向。 10 由5.2.1節(jié)公式5.16 (1( ) j y tex t ）（） 知： 由N個(gè)均勻排列在一條直線上的陣元組成的相 控陣天線的輸出： +j(i-1)(- 1 ( )x( ) B N i y tte ） 11 相應(yīng)的幅度方向

5、函數(shù)為： 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 樣 ） A 12 當(dāng)N很大時(shí)，上式可近似為： 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 （ 趨于 時(shí)， A 13 由上式可知，大陣列（N很大）的均勻直線相控陣 天線的方向參數(shù)近似為抽樣函數(shù)，其

6、主要參數(shù)如 下： 1、波束指向：由公式 arcsin 2 d BB 2 sin BB d 得波束指向： 2、波束寬度： 0.5 151 cos B Nd 14 3、副瓣電平： l 2 20lg(d ) (21) FB l 4、零點(diǎn)位置： 0 0 2 arcsin2sin( 2 PB pd dN 第p個(gè)零點(diǎn)） 5、方向增益： G D N 15 均勻直線相控陣天線是最為簡(jiǎn)單的相控陣天線。 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的相控陣天線，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 陣元的排列與間隔（d)： 空間相差： arcsin 2 d BB 陣元的排列與間隔決定了陣列的空間相差，從

7、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。 陣元可排列為直線陣，圓陣，面陣或者共形陣。陣元可排列為直線陣，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波 束的指向。 arcsin 2 d BB 18 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，同樣的天線陣列，采用不同的陣元，所獲因此，同樣的天線陣列，采用不同的陣元，所獲 得的方

8、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出現(xiàn)的柵瓣。序上抑制相控陣天線出現(xiàn)的柵瓣。 19 5.3.3 5.3.3 相控陣天線的相位控制方法相控陣天線的相位控制方法 無(wú)線電系統(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?。?缺點(diǎn)： 在射頻段移相的損

9、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

10、高，各通道間 的一致性更難保證。 23 5.3.4 5.3.4 寬帶相控陣天線寬帶相控陣天線 對(duì)于超寬帶的軟件無(wú)線電系統(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，從而使得天線的小事指向產(chǎn)生偏移，天線的 方向增益下降等，在寬角掃描時(shí)更為嚴(yán)重，這種現(xiàn)象 在相控陣天線中被告稱為孔徑效應(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中 也稱為真延時(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)

11、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)法。時(shí)法和數(shù)字延時(shí)法。 24 2.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 () ( ) () d d n h n n 26 （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 ()

12、( ) () sin d d n h n n N N 27 （3 3）、拉格朗日內(nèi)插濾波器：）、拉格朗日內(nèi)插濾波器： 其單位沖激響應(yīng)為： 0 ( ) N d ii n i h n ni 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： 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 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，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

13、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 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，濾波器類型和合考慮信號(hào)的帶寬和采樣率，濾波器類型和 參數(shù)等因素，以使信號(hào)的歸一化帶

14、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。 31 5.4 數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線 自適應(yīng)天線自適應(yīng)天線：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。 由于自適應(yīng)天線要求能根據(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)。 32 5.4.1 5.4.1 空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波空域?yàn)V波與頻域

15、濾波 1.時(shí)域空域的對(duì)應(yīng)關(guān)系： 對(duì)于一個(gè)基于均勻直線陣列的發(fā)射天線，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)可寫為： 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 將代 入 ） A 33 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： 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 對(duì)比A和H的表達(dá)式，可以看出，均勻直線陣列 天線的方向函數(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 陣列天線的方向函數(shù)時(shí)，往往將陣列天線的空 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) 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) 1 sin ( )A ( )A

17、 u I(n) u d s t 36 由上表可知，陣列天線的方向圖可視為空域上的 頻譜分布，有時(shí)也將其稱為角譜角譜。 對(duì)于二維陣列天線，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。 37 2.空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波： 自適應(yīng)陣列天線波束形成的基本思想： 陣列天線的空間參數(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： 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

18、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。 空域波波和頻域?yàn)V波都是選擇有用信號(hào)，但空域波波 處于前端天線部分，而頻域?yàn)V波處于接收機(jī)的射頻， 中頻或基帶部分。 39 5.4.2 5.4.2 陣列天線的幅相加權(quán)與波束賦形陣列天線的幅相加權(quán)與波束賦形 相控陣天線中，系統(tǒng)通過(guò)相位控制來(lái)控制天線波束指 向。在陣列天線中，陣列天線還可以通過(guò)幅度加權(quán)或 者幅相加權(quán)來(lái)控制天線波

19、束參數(shù)，如指向，形狀等。 對(duì)天線陣因子： (1) 1 N j i i i Awe ( 1) 1 N j i i Ae 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： 均勻直線陣列天線中，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) 1 N j i i i Awe 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)陣因子可畫出天線的波束形狀。 i w A 根據(jù)給定零點(diǎn)求解天線波束形狀的方法步驟：根據(jù)給定零

20、點(diǎn)求解天線波束形狀的方法步驟： 41 3.3.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。 42 NO.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)

21、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（以均勻直線陣接收波束形成為例）：數(shù)字單波束形成（以均勻直線陣接收波束形成為例）： i0 i0 cos sin Ii Qi 式中， 44 加權(quán)后第i個(gè)陣元信號(hào)變?yōu)椋?i0 i0 cos sin iB iB Iwii Qwii 展開得： iii iii cossin sin+cos iBiB iBiB II wiQwi QI wiQwi

22、 用矩陣表示為： ii i cossinI sincos iBiB iBiB i wiwiI wiwiQQ 45 1.1.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： 1 i=0 = Bk N jiji ki Fwee 相位加權(quán)值 按波束序號(hào)k取離散值，則有： Bk 2 Bk k N 其對(duì)應(yīng)的波束指向角為： arcsin Bk k Nd 47 1 i=0 = Bk N jiji ki Fwee 中令：公式 ji ii wex 波束方向函數(shù) 可表示為 ，則有： k F F k 1 2/ 0 N jik N i i F 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)，所以這種方法被稱為FFTFFT數(shù)字多波束數(shù)字多波束 形成算法形成算法