波束形成與智能天線.ppt

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1、第五章關(guān)于波束形成理論與智能天線技術(shù)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25.3相位控制陣列天線基本原理：通過控制信號在陣內(nèi)的延遲以抵消來自不同方向的信號在空間的延遲，以使各陣元間的信號能夠同相相加，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。35.3.1二元相控陣天線延遲陣元1陣元2y(t)x(t)x(t+Δ?)+陣列輸出：4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5。陣內(nèi)相差對應(yīng)的波束指向?yàn)椋禾炀€陣列的幅度方向圖為：6天線陣列的幅度方向圖：78

2、+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?)910由5.2.1節(jié)公式5.16知：由N個均勻排列在一條直線上的陣元組成的相控陣天線的輸出：11相應(yīng)的幅度方向函數(shù)為：12當(dāng)N很大時，上式可近似為：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：143、副瓣電平：4、零點(diǎn)位置：5、方向增益：15均勻直線相控陣天線是最為簡單的相控陣天線。對于一個實(shí)際的相控陣天線，影響其方向圖的因素有：?陣元的

3、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：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。17?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。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。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。195.3.3相控陣天線的相位控制方

4、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。對陣元相位的控制可以在這三個環(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?。蝗秉c(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。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經(jīng)過了各自通道的混頻器，因此系統(tǒng)對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

5、相法可以在一套硬件平臺上通過數(shù)字多波束形成算法同時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。235.3.4寬帶相控陣天線對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)同一相位信號的空間延遲就會相差較大，信號產(chǎn)生的陣內(nèi)延遲就不能在整個帶寬內(nèi)抵消信號的空間延遲，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

6、描時更為嚴(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法。目前，實(shí)現(xiàn)真延時控制的方法主要有兩種：光纖延時法和數(shù)字延時法。242.數(shù)字延時法：數(shù)字延時法是利用數(shù)字延時算法對數(shù)字信號進(jìn)行處理從而獲得不同的延時。從理論上講，數(shù)字延時結(jié)構(gòu)就是一個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。25（1）、低通內(nèi)插濾波器（Sinc內(nèi)插器）：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：27（3）、拉格朗日

7、內(nèi)插濾波器：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)：其單位沖激響應(yīng)為：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)起伏大小：頻率采樣內(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