波束形成與智能天線資料課件

波束形成與智能天線資料波束形成與智能天線資料波束形成與智能天線資料5.3相位控制陣列天線基本原理：通過控制信號(hào)在陣內(nèi)的延遲以抵消來自不同方向的信號(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控制器波束的指向。2”通過閱讀科技書籍，我們能豐富知識(shí)，培養(yǎng)邏輯思維能力；波束形成與智能天線資料波束形成與智能天線資料波束形成與智能天15.3相位控制陣列天線基本原理：通過控制信號(hào)在陣內(nèi)的延遲以抵消來自不同方向的信號(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控制器波束的指向。25.3相位控制陣列天線基本原理：25.3.1二元相控陣天線延遲陣元1陣元2y(t)x(t)x(t+Δ?)+

陣列輸出：35.3.1二元相控陣天線延遲陣列輸出：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4陣列輸出：其中：4。陣內(nèi)相差對(duì)應(yīng)的波束指向?yàn)椋?/p>

天線陣列的幅度方向圖為：

5。5天線陣列的幅度方向圖：6天線陣列的幅度方向圖：677+延遲陣元1y(t)x(t)x(t+Δ?)由二元相控陣天線原理框圖：陣元1x(t)陣元2+延遲x(t+Δ?)y(t)陣元1x(t)陣元2+延遲x(t+Δ?)8+延遲99由5.2.1節(jié)公式5.16

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：10由5.2.1節(jié)公式5.16知：10相應(yīng)的幅度方向函數(shù)為：11相應(yīng)的幅度方向函數(shù)為：11當(dāng)N很大時(shí)，上式可近似為：12當(dāng)N很大時(shí)，上式可近似為：12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)，其主要參數(shù)如下：1、波束指向：由公式得波束指向：2、波束寬度：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3、副瓣電平：4、零點(diǎn)位置：5、方向增益：143、副瓣電平：4、零點(diǎn)位置：5、方向增益：14均勻直線相控陣天線是最為簡單的相控陣天線。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15均勻直線相控陣天線是最為簡單的相控陣天線。15陣元的排列與間隔（d)：空間相差：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。陣元可排列為直線陣，圓陣，面陣或者共形陣。陣無的間隔可均勻排列或非均勻排列。16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。陣元間的相位關(guān)系():陣元間的相位關(guān)系決定了陣列的陣內(nèi)相差，系統(tǒng)通過控制陣元間的相位差就可以控制天線波束的指向。17陣元間的相位關(guān)系():陣元間的相位關(guān)系決定了陣元的元因子：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。因此，同樣的天線陣列，采用不同的陣元，所獲得的方向圖是不同的。另外，利用元因子的方向函數(shù)，還可以在一定程序上抑制相控陣天線出現(xiàn)的柵瓣。18因此，同樣的天線陣列，采用不同的陣元，所獲得的方向圖是不同的5.3.3相控陣天線的相位控制方法無線電系統(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。195.3.3相控陣天線的相位控制方法無線電系統(tǒng)一般分為射頻射頻移相法：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)：在射頻段移相的損耗大，相比于中頻移相其實(shí)現(xiàn)成本更高。20射頻移相法：20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。21中頻移相法：21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)上通過數(shù)字多波束形成算法同時(shí)獲得不同指向的波束，無需電子或機(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)成本最高，各通道間的一致性更難保證。22數(shù)字基帶移相法:225.3.4寬帶相控陣天線對(duì)于超寬帶的軟件無線電系統(tǒng)，如果仍采用以相位控制器來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)。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。目前，實(shí)現(xiàn)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。235.3.4寬帶相控陣天線對(duì)于超寬帶的軟件無線電系統(tǒng)，如果2.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)插或逼近的方法來近似實(shí)現(xiàn)。其中，內(nèi)插的方法應(yīng)用更多。242.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（1）、低通內(nèi)插濾波器（Sinc內(nèi)插器）：其單位沖激響應(yīng)為：25（1）、低通內(nèi)插濾波器（Sinc內(nèi)插器）：其單位沖激響應(yīng)為（2）、頻率采樣內(nèi)插濾波器：其單位沖激響應(yīng)為：26（2）、頻率采樣內(nèi)插濾波器：其單位沖激響應(yīng)為：26（3）、拉格朗日內(nèi)插濾波器：其單位沖激響應(yīng)為：27（3）、拉格朗日內(nèi)插濾波器：其單位沖激響應(yīng)為：27（4）、最平均數(shù)延遲內(nèi)插濾波器（SAS濾波器)：其單位沖激響應(yīng)為：28（4）、最平均數(shù)延遲內(nèi)插濾波器（SAS濾波器)：其單位沖激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F<0.6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。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)都比較平坦的范圍內(nèi)，從而獲量較高的波束控制精度。30因此，在選擇可變分?jǐn)?shù)延遲濾波器時(shí)，應(yīng)綜305.4數(shù)字波束形成與自適應(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)字波束形成理論，利用軟件編程靈活實(shí)現(xiàn)。315.4數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線自適應(yīng)天線：要求系統(tǒng)能根據(jù)電5.4.1空域?yàn)V波與頻域?yàn)V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：325.4.1空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波1.時(shí)域—空域的對(duì)應(yīng)關(guān)系：3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：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)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)起來來。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空間角頻率時(shí)間角頻率

w天線激勵(lì)電流系統(tǒng)沖激響應(yīng)h(n)空間頻譜或時(shí)間頻譜h(f)

或h(w)

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。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。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。372.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：3由教材p149圖5.18可見：空域?yàn)V波：空域?yàn)V波就是通過調(diào)整自適應(yīng)陣列天線的參數(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，以最大限度壓制無用或干擾信號(hào)，從而使無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)通過通帶得以增強(qiáng)，使無用或干擾信號(hào)通過阻帶得以抑制?？沼虿úê皖l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。38由教材p149圖5.18可見：385.4.2陣列天線的幅相加權(quán)與波束賦形相控陣天線中，系統(tǒng)通過相位控制來控制天線波束指向。在陣列天線中，陣列天線還可以通過幅度加權(quán)或者幅相加權(quán)來控制天線波束參數(shù)，如指向，形狀等。對(duì)天線陣因子：進(jìn)行加權(quán)處理得：1.幅度加權(quán)與副瓣抑制：395.4.2陣列天線的幅相加權(quán)與波束賦形相控陣天線中，系統(tǒng)由加權(quán)陣因子2.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)。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。根據(jù)給定零點(diǎn)求解天線波束形狀的方法步驟：40由加權(quán)陣因子2.幅相加權(quán)與零點(diǎn)控制：均勻直線陣列天線中，系統(tǒng)3.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)：原理簡單，成本低，不利于系統(tǒng)調(diào)試。413.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)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。42NO.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數(shù)字波束形成的基本方法1.數(shù)字單波束形成（以均勻直線陣接收波束形成為例）：式中，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加權(quán)后第i個(gè)陣元信號(hào)變?yōu)椋赫归_得：用矩陣表示為：44加權(quán)后第i個(gè)陣元信號(hào)變?yōu)椋赫归_得：用矩陣表示為：441.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。451.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：相位加權(quán)值按波束序號(hào)k取離散值，則有：其對(duì)應(yīng)的波束指向角為：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)中令：公式波束方向函數(shù)可表示為，則有：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FFT數(shù)字多波束形成算法。47中令：公式波束方向函數(shù)可表示為，5.4.4自適應(yīng)天線與自適應(yīng)算法1.自適應(yīng)天線：自適應(yīng)天線由陣列天線，自適應(yīng)處理器和波束形成網(wǎng)絡(luò)三部分組成。485.4.4自適應(yīng)天線與自適應(yīng)算法1.自適應(yīng)天線：自適應(yīng)天圖中的陣列天線用于接收外界信號(hào)，自適應(yīng)處理器首先判斷干擾波的到達(dá)方向（稱為DOA估計(jì)），然后根據(jù)波束零點(diǎn)位置的要求產(chǎn)生相應(yīng)的幅相回權(quán)值去控制波束形成網(wǎng)絡(luò)所需的波束，合成波束的輸出再反饋到自適應(yīng)處理器，以自動(dòng)地跟蹤干擾波的方向變化，并按照一定的算法準(zhǔn)則調(diào)整波束零點(diǎn)，最大程度地抑制干擾，提高系統(tǒng)的信號(hào)干擾比（SIR),因此，自適應(yīng)天線就是自適應(yīng)的空域?yàn)V波器。49圖中的陣列天線用于接收外界信號(hào)，自適應(yīng)處理器首先判斷干擾波的自適應(yīng)處理器是自適應(yīng)天線的核心部分，主要功能是對(duì)輸入的干擾和信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì)并控制陣列的波束形成，以使輸出的信干比最大。DOA的方法很多，可分為四種類型：傳統(tǒng)法，子空間法，最大似然法和綜合法。

50自適應(yīng)處理器是自適應(yīng)天線的核心部分，主要功能是對(duì)輸入的干擾和2.自適應(yīng)波束形成算法：自適應(yīng)是在數(shù)字域進(jìn)行的。自適應(yīng)天線的性能用性能量度來表示，常見的性能量度有遠(yuǎn)方誤差量度，信噪比量度，約束最優(yōu)化和功率倒置等。自適應(yīng)天線的自適應(yīng)算法思想就是設(shè)定一種性能量度，依據(jù)相應(yīng)的準(zhǔn)則尋求最佳的幅相加權(quán)矢量，使得天線的性能量度最佳。

512.自適應(yīng)波束形成算法：自適應(yīng)是在數(shù)字域進(jìn)行的。自適應(yīng)天線的盲目自適應(yīng)算法：直接利用系統(tǒng)的特性而不需要發(fā)送訓(xùn)練序列的自適應(yīng)算法，因此可以節(jié)省發(fā)射帶寬，提高頻譜的有效利用率。盲目自適應(yīng)算法利用信號(hào)民的某些特性進(jìn)行自適應(yīng)癥波束形成，這些特性包括空域特性，時(shí)域特性，頻域特性等，由此開成了多種類型的自適應(yīng)波束形成算法。

52盲目自適應(yīng)算法：52采用LMS算法逼近最優(yōu)權(quán)矢量，可以大大簡化計(jì)算的復(fù)雜度。LMS算法的一個(gè)最大特點(diǎn)是其計(jì)算復(fù)雜度低，缺點(diǎn)是收斂速度緩慢。

53采用LMS算法逼近最優(yōu)權(quán)矢量，可以大大簡化計(jì)算的復(fù)雜度。53謝謝！54謝謝！54謝謝謝謝55謝謝觀賞謝謝觀賞56波束形成與智能天線資料波束形成與智能天線資料波束形成與智能天線資料5.3相位控制陣列天線基本原理：通過控制信號(hào)在陣內(nèi)的延遲以抵消來自不同方向的信號(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控制器波束的指向。2”通過閱讀科技書籍，我們能豐富知識(shí)，培養(yǎng)邏輯思維能力；波束形成與智能天線資料波束形成與智能天線資料波束形成與智能天575.3相位控制陣列天線基本原理：通過控制信號(hào)在陣內(nèi)的延遲以抵消來自不同方向的信號(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控制器波束的指向。585.3相位控制陣列天線基本原理：25.3.1二元相控陣天線延遲陣元1陣元2y(t)x(t)x(t+Δ?)+

陣列輸出：595.3.1二元相控陣天線延遲陣列輸出：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60陣列輸出：其中：4。陣內(nèi)相差對(duì)應(yīng)的波束指向?yàn)椋?/p>

天線陣列的幅度方向圖為：

61。5天線陣列的幅度方向圖：62天線陣列的幅度方向圖：6637+延遲陣元1y(t)x(t)x(t+Δ?)由二元相控陣天線原理框圖：陣元1x(t)陣元2+延遲x(t+Δ?)y(t)陣元1x(t)陣元2+延遲x(t+Δ?)64+延遲659由5.2.1節(jié)公式5.16

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：66由5.2.1節(jié)公式5.16知：10相應(yīng)的幅度方向函數(shù)為：67相應(yīng)的幅度方向函數(shù)為：11當(dāng)N很大時(shí)，上式可近似為：68當(dāng)N很大時(shí)，上式可近似為：12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)，其主要參數(shù)如下：1、波束指向：由公式得波束指向：2、波束寬度：69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3、副瓣電平：4、零點(diǎn)位置：5、方向增益：703、副瓣電平：4、零點(diǎn)位置：5、方向增益：14均勻直線相控陣天線是最為簡單的相控陣天線。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71均勻直線相控陣天線是最為簡單的相控陣天線。15陣元的排列與間隔（d)：空間相差：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。陣元可排列為直線陣，圓陣，面陣或者共形陣。陣無的間隔可均勻排列或非均勻排列。72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。陣元間的相位關(guān)系():陣元間的相位關(guān)系決定了陣列的陣內(nèi)相差，系統(tǒng)通過控制陣元間的相位差就可以控制天線波束的指向。73陣元間的相位關(guān)系():陣元間的相位關(guān)系決定了陣元的元因子：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。因此，同樣的天線陣列，采用不同的陣元，所獲得的方向圖是不同的。另外，利用元因子的方向函數(shù)，還可以在一定程序上抑制相控陣天線出現(xiàn)的柵瓣。74因此，同樣的天線陣列，采用不同的陣元，所獲得的方向圖是不同的5.3.3相控陣天線的相位控制方法無線電系統(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。755.3.3相控陣天線的相位控制方法無線電系統(tǒng)一般分為射頻射頻移相法：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)通道不一致的影響小；缺點(diǎn)：在射頻段移相的損耗大，相比于中頻移相其實(shí)現(xiàn)成本更高。76射頻移相法：20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。77中頻移相法：21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)上通過數(shù)字多波束形成算法同時(shí)獲得不同指向的波束，無需電子或機(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)成本最高，各通道間的一致性更難保證。78數(shù)字基帶移相法:225.3.4寬帶相控陣天線對(duì)于超寬帶的軟件無線電系統(tǒng)，如果仍采用以相位控制器來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)。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。目前，實(shí)現(xiàn)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。795.3.4寬帶相控陣天線對(duì)于超寬帶的軟件無線電系統(tǒng)，如果2.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)插或逼近的方法來近似實(shí)現(xiàn)。其中，內(nèi)插的方法應(yīng)用更多。802.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（1）、低通內(nèi)插濾波器（Sinc內(nèi)插器）：其單位沖激響應(yīng)為：81（1）、低通內(nèi)插濾波器（Sinc內(nèi)插器）：其單位沖激響應(yīng)為（2）、頻率采樣內(nèi)插濾波器：其單位沖激響應(yīng)為：82（2）、頻率采樣內(nèi)插濾波器：其單位沖激響應(yīng)為：26（3）、拉格朗日內(nèi)插濾波器：其單位沖激響應(yīng)為：83（3）、拉格朗日內(nèi)插濾波器：其單位沖激響應(yīng)為：27（4）、最平均數(shù)延遲內(nèi)插濾波器（SAS濾波器)：其單位沖激響應(yīng)為：84（4）、最平均數(shù)延遲內(nèi)插濾波器（SAS濾波器)：其單位沖激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F<0.6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。85這四種濾波器的幅頻特性和群延遲特性如教材P147-圖5.17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)都比較平坦的范圍內(nèi)，從而獲量較高的波束控制精度。86因此，在選擇可變分?jǐn)?shù)延遲濾波器時(shí)，應(yīng)綜305.4數(shù)字波束形成與自適應(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)字波束形成理論，利用軟件編程靈活實(shí)現(xiàn)。875.4數(shù)字波束形成與自適應(yīng)天線自適應(yīng)天線：要求系統(tǒng)能根據(jù)電5.4.1空域?yàn)V波與頻域?yàn)V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：885.4.1空域?yàn)V波與頻域?yàn)V波1.時(shí)域—空域的對(duì)應(yīng)關(guān)系：3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：89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)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)起來來。90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空間角頻率時(shí)間角頻率

w天線激勵(lì)電流系統(tǒng)沖激響應(yīng)h(n)空間頻譜或時(shí)間頻譜h(f)

或h(w)

91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。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。92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。932.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：3由教材p149圖5.18可見：空域?yàn)V波：空域?yàn)V波就是通過調(diào)整自適應(yīng)陣列天線的參數(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，以最大限度壓制無用或干擾信號(hào)，從而使無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)通過通帶得以增強(qiáng)，使無用或干擾信號(hào)通過阻帶得以抑制?？沼虿úê皖l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。94由教材p149圖5.18可見：385.4.2陣列天線的幅相加權(quán)與波束賦形相控陣天線中，系統(tǒng)通過相位控制來控制天線波束指向。在陣列天線中，陣列天線還可以通過幅度加權(quán)或者幅相加權(quán)來控制天線波束參數(shù)，如指向，形狀等。對(duì)天線陣因子：進(jìn)行加權(quán)處理得：1.幅度加權(quán)與副瓣抑制：955.4.2陣列天線的幅相加權(quán)與波束賦形相控陣天線中，系統(tǒng)由加權(quán)陣因子2.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)。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。根據(jù)給定零點(diǎn)求解天線波束形狀的方法步驟：96由加權(quán)陣因子2.幅相加權(quán)與零點(diǎn)控制：均勻直線陣列天線中，系統(tǒng)3.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)：原理簡單，成本低，不利于系統(tǒng)調(diào)試。973.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)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。98NO.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數(shù)字波束形成的基本方法1.數(shù)字單波束形成（以均勻直線陣接收波束形成為例）：式中，99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加權(quán)后第i個(gè)陣元信號(hào)變?yōu)?/p>