阵列天线波束赋形技术研究与应用
阵列天线波束赋形技术研究与应用
⑧
论文作者签名：
指导教师签名：皇直江本
论文评阅人１：
评阅人２：
评阅人３：
评阅人４：
评阅人５：
答辩委员会主席：
委员ｌ：
委员２：
委员３：
委员４：
委员５：
答辩日期：２０１４年３月９日
浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的
同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位敝作者签名：惕扶％签字日期：沙、ｆ年＿；月∽学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文作者签名：伤双巧｝导师签名：重甫姐；寿
签字日期：签字日期：训ｌｆ年弓月Ｉ３日）移ｆ今年弓月ｌ驴日
致谢
时光飞逝，又到了毕业季。在浙江大学本科四年以及研究生两年半的求学生涯中，我不仅学到了专业知识，还领悟到了很多做人的道理。浙大“求是，创新”的校训一直陪伴我的成长，在我毕业之后，“求是，创新”也将一直作为我为人处事的准则。两年半的硕士研究生生活即将结束，回首过往，自己在学习、生活上都得到了很大的提升，这离不开来自家人、老师、同学及朋友的帮助。在此，衷心感谢那些帮助过我的人。
首先感谢我的导师皇甫江涛老师和冉立新老师对我学业上的帮助，感谢他们为我指点未来的科研之路，帮助我选择毕业之后出国深
造的高等学府。两位老师严谨的治学态度以及对学生认真负责的态度给我留下了深刻印象，对我以后的工作和学＞－－ｊ产生了很大影响。当然，还要特别感谢实验室管理员张斌老师，在他的协助之下下我完成了课题相关的电路以及天线实物加工制作，保证了后续工作的顺利开展。
感谢实验室的师兄师姐以及师弟师妹的关心和帮助。衷心感谢叶德信、王志宇、李栋、潘竞楠、王静雨、申建华、申发中、吕波、许丽丽、潘文森、牟文秋和郑晓程这几位已经毕业的师兄师姐，感谢他们为我的研究工作打下良好的基础，祝愿他们在各自的工作与生活中一切顺利。同时，也感谢Ｙａｎｎｉｃｋ、赵钟伟、徐魁文、李欢、宋庆庆、杨婧茹、孟庆阳、徐金金、王嵘、赵家奇等同学，感谢你们陪伴我度过了愉快的研究生生活。祝愿仍在电磁波应用研究实验室的同学们能在今后收获更多知识。
最后感谢我的家人，是他们对我的支持和鼓励使我顺利地完成学业，祝愿他们身体健康、幸福快乐。
彭政谕
于浙江大学玉泉２０１４年１月
摘要
阵列天线的研究与应用，一直是天线领域的热点。阵列天线具备了许多单天线无法实现的功能。例如阵列天线可以通过灵活地布阵、控制阵列天线每个单元的相位与幅度关系，实现对天线波束方向的扫描，或者抑制特定方向上的干扰信号，或实现特殊形状的波束等。在
无线通信领域，阵列天线正得到越来越广泛的应用。
本论文介绍了一种新型的阵列天线波束赋形方法，即通过调整天线方向图的零点来实现波束赋形，该方法有别于传统的控制阵列天线主瓣的波束赋形技术。本论文首先研究了阵列天线方向图中的零点对阵列天线整体方向图形状的影响。本文从阵列天线的基本公式出发，研究了控制阵列天线零点实现天线波束赋形技术的物理意义。以阵列天线波束展宽应用为例，在实际应用中，我们需要根据信号的变化快速地实现阵列天线波束赋形，本论文提出了一种由功率倒置调零算法演变得到的新型全向波束赋形方法，该算法可以快速扩展阵列天线的波束覆盖范围，同时将零点指向特定的无信号传输的方向。本文通过仿真，验证了该算法应用在不同阵列天线上的效果，证明该波束赋形方法在不同的阵列天线中，都能快速有效地扩展波束宽度。
本论文比较了阵列天线波束赋形技术中采用的不同的系统架构，提出了一种新型的波束赋形系统架构，该新型系统架构大大简化了传统阵列天线复杂的电路结构。文章详细阐述了该新型系统架构的基本设计原理，结合实际应用需要，详细阐述硬件电路各个模块的设计思路，最终完成整个电路的设计、制作以及调试。最后，本论文使用新型的波束赋形系统架构验证了上述阵列天线波束控制方法。实验测试结果证明了上述阵列天线波束控制算法能够快速有效地提高阵列天
线的波束覆盖范围。
关键词：波束赋形，阵列天线，调零，功率倒置ＩＩＩ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａａｒｅａｌｗａｙｓｔｈｅｈｏｔｔｏｐｉｃｓｏｆｔｈｅａｒｅａｏｆａｎｔｅｎｎａ．Ａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｈａｓａｌｏｔｏｆｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓｂｅｙｏｎｄｏｎｅｓｉｎｇｌｅａｎｔｅｎｎａ．Ｂｅａｍｓｔｅｅｒｉｎｇ，ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｃａｎｂｅｅａｓｉｌｙｒｅａｌｉｚｅｄｂｙａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｓｔｈｒｏｕｇｈｄｉｖｅｒｓｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｓｏｆｅｌｅ—ｍｅｎｔｓ，ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｐｈａｓｅ／ａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｔｅｎｎａｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｏｗｎｉｎｇｔｏｔｈｅｓｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ．
ＴｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｏｆｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｉｓｔｕｎｉｎｇＩｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄ
ｐａｔｔｅｒｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｗｅａｏｒｔｒｉｍｍｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｌｏｂｅｏｆｔｈｅｐａｔｔｅｒｎ．ｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｏｆｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，ｗｈｉｃｈａｄｊｕｓｔｓｔｈｅｎｕＨｓｏｆｔｈｅｏｆｎｕｎｓ．Ｔｈｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｔｈｅｐａｔｔｅｒｎａｃｃｏｒ
ｄｉｎｇｔＯｔｈｅａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙｏｆｔｈｉｓｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｈａｄｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂａｓｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｏｆａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｎｏｒｄｅｒｔＯｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆａｓｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｎｕｌｌｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒａｃｔｉｓｅ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｓｉｎｎｏｖｅｌｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｐｏｗｅｒ－ｉｎｖｅｒｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ．
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致
｛射……………………………………………………………………………………………………………………………Ｉ摘要……………………………………………………………………………………．．……………………………………．ＩＩＩＡｂｓｔｒａｃｔ…………………。………………………………………．…………………………………………………………．Ｖ目次
１绪论………………………………………………………………………………………………………………………１．１
１．２
１．３１１２课题研究背景及意义…………………………………………………………………．国内外现状分析………………………………………………………………………．本课题主要研究内容及创新点………………………………………………………．４
５
７
７
８
９
９
９１．４论文的章节安排………………………………………………………………………．２阵列天线零点控制波束赋形研究………………………………………………………一２．１阵列天线的基本原理…………………………………………………………………．２．１．１２．１．２相控阵技术…………………………………………………………………一数字波束赋形技术…………………………………………………………一２．２阵列天线零点的控制…………………………………………………………………．２．２．１
２．２．２
２．３波瓣控制与调零……………………………………………………………．．阵列天线零点控制原理……………………………………………………一１０本章小结……………………………………………………………………………………．．１５３阵列天线波束展宽研究…………………………………………………………………．．１７３．１传统波束展宽方
法……………………………………………………………………．１７３．２控制零点的波束展宽方法……………………………………………………………．１８３．３改进的功率倒置算法实现波束快速展宽……………………………………………．２１
３．３．１
３．３．２
３．３．３
３．３．４功率倒置算法………………………………………………………………一２１改进的功率倒置算法………………………………………………………．．２４算法仿真……………………………………………………………………一２７算法鲁棒性分析……………………………………………………………一３０３．４本章小结………………………………………………………………………………．．３１ＶＴＴ
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４波束赋形系统架构研究…………………………………………………………………一３３４．１波束赋形系统架构基本原
理…………………………………………………………．３３４．１．１模拟波束赋形系统…………………………………………………………一３３４．１．２数字波束赋形系统…………………………………………………………．．３４４．２新型波束赋形系统架构………………………………………………………………．３４４．２．１系统框架……………………………………………………………………．．３５
４．２．２电路设计……………………………………………………………………．．３７
４．３本章小结………………………………………………………………………………．４３５基于新型波束赋形系统架构的波束展宽系统…………………………………………．４５
５．１阵列天线单元设计……………………………………………………………………．４５５．２天线系统测试…………………………………………………………………………．４８５．３本章小
结…………………………………………………………………………………５０６结束语………………………………………………………………………………………５１参考文献………………………………………………………………………………………．５３发表文章目录…………………………………………………………………………………．５７ＶＩⅡ
１绪论
１．１课题研究背景及意义
阵列天线是指一类由不少于两个天线单元规则或随机排列，并通过特定的激励，即特定幅度与相位的激励信号激励，获得特殊的辐射特性的天线１１；２１。阵列天线的辐射特性由阵列天线的天线单元、天线单元的排列、以及激励信号的相位与幅度关系确定。由于阵列天线能够快速灵活地实现可重构的波束、扫描波束等，所以高性能的阵列天线被广泛地应用于军事、遥感、通信、卫星定位等多个领域。
阵列天线的研究与应用，一直是天线领域的热点。科研人员已经开发出多种不同的波束赋形算法来控制阵列天线的波束，使其能够应用于多种不同的应用场合。不过，现有的各种波束赋形算法主要是通过调整阵列天线的主瓣或者旁瓣来实现不同的增益、波束宽度和旁瓣抑制，以及通过调整阵列天线零点的方向来消除特定方向上的干扰信号，即所谓的“调零天线”。对于由多个辐射单元组成的阵列天线，
采用现有的方法难以实现较大的波束覆盖范围，其原因是通常情况下，相对于阵列天线工作频率的波长来说，其有效口径较大。然而，在一些特定的应用场合，如卫星导航系统中，接收机需要接收不同仰角的卫星信号进行处理，然后得到自身的位置信息，接收机能接收到的卫星数目越多，定位越精确。尤其是在低仰角的卫星，对于精确定位有重要的影响。卫星导航的这个特性，决定了卫星导航接收机的天线的方向图需尽可能多地覆盖不同的角度，即保持全向覆盖。传统的阵列天线会压缩天线的波束宽度，无法实现全向性方向图，所以一般的卫星导航接收机常采用－单天线。采用单个天线的接收机存在许多弊端，首先，单个全向性天线的增益较低，影响整个接收机的性能；其次，单个天线很容易被干扰，因为卫星导航信号频率固定，卫星信号经过大气衰减后极其微弱，复杂的电磁环境或者任意较强的同频率信号都会对接收机造成致命影响。所以，如何使用自适应阵列天线技术，实现全向覆盖的方向图，是一个非常有现实意义的研究课题。
阵列天线波束赋形系统架构的发展主要经历了两个阶段，最早的波束赋形系统采用模拟的移相器来控制各个天线单元的相位关系实
现阵列天线的波束扫描，例如早期的相控阵
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雷达。由于采用模拟移向器，阵列天线波束赋形的灵活性有限，无法实现较为复杂的波束形状。近年来，数字波束赋形技术随着高速ＡＤＣ技术的成熟而得到广泛的应用。以接收机为例，数字波束赋形技术将天线的模拟信号转换成数字信号，通过数字域的各种算法，实
现各种波束。数字波束赋形技术具有极高的灵活性。然而，由于ＡＤＣ技术的限制，目前无法将很高频率的射频信号直接采样成数字信号，必须首先通过模拟的下变频电路将射频信号下变频到ＡＤＣ可以采
样的频率。另外，要保证接收信号的带宽，ＡＤＣ仍然需要工作在较高的采样频率上，经ＡＤＣ转化后的信号还需要高速的数字电路进行处理。所以，在实际应用中，对于如何精简系统架构、降低系统成本、提高系统稳定性的研究，具有重要的意义。
１．２国内外现状分析
根据波瓣图乘法原理，即非各项同性而相似的点源阵的场波瓣图是其个别源波瓣图与该阵列中具有相同的位置、相对幅度和相位的各向同性点源阵波瓣图的乘积【１１。阵列天线总场Ｅ可以写成【１；２】
Ｅ＝ｆ（Ｏ，≯）Ｆ（伊，≯）么（厶（移，咖）＋Ｆｐ（秽，≯））（１．１）
其ｅｅｆ（ｏ，≯）是个别源的场波瓣图，ｈ（ｏ，咖）是个别源的相位波瓣图，Ｆ（Ｏ，咖）是各向同性源阵的场波瓣图，Ｂ（口，≯）是各向同性源阵的相位波瓣图。通过控制阵列天线各个单元的信号权值，即天线单元信号的幅度与相位关系，可以调整Ｆ（Ｏ，矽）和Ｂ（口，≯），实现所需要的方向图。
所谓波束赋形技术，即采用特定的算法计算阵列天线各个单元的信号权值，以实现特定的阵列天线方向图，满足应用需求。文献［３】概括总结了多种波束赋形算法，其中包括最小方差波束赋形算法【４
１、基于Ｗｏｒｓｔ．Ｃａｓｅ性能优化的波束赋形算法１５；ｏｌ、Ｃａｐｏｎ波束赋形算法【７１、最小二乘法波束赋形算法【８】等，并研究了这些算法的稳定性。文献［９］和文献【１０］研究了采用波束赋形算法实现旁瓣抑制的方法。在阵列天线抗干扰系统中，如卫星定位系统，由于卫星信号经过大气的衰减后十分微弱，而通常情况下，干扰信号强度远高于有用信号，因此，基于最小化输出功率的功率倒置算法可以有效抑制强干扰信号，提高输出信噪比。文献【１ｌ】中提出了以最小化输出功率为原则的功率倒置算法，在文献［１２；１３】中将这种功率倒置算法应用于阵列天线，从而提高了卫星定位接收机的信噪比。
在卫星导航过程中，接收机需要接收不同仰角的卫星信号进行处理，然后得到自身的位置信息，接收机能接收到的卫星数目越多，定位越精确０４１。尤其是在低仰角的卫星，对２
１绪论
于精确定位有重要的影响。另外对于相控阵雷达来说，有时会要求将波束展宽以提高波束扫描速度。然而阵列天线自身特性决定了对其主瓣展宽是一个非常困难的工作，国内外对于阵列天线波束展宽的工作主要集中在对相控阵天线的波束展宽研究，关注点集中在优化阵列相位分布，改变主瓣形状。文献【１５］提出了将一个阵列天线分成两个子阵列，两个子阵列主瓣指向不同的方向，最终合成为一个主瓣时，可以扩展主瓣的宽度，需要注意的是，这里两个子阵列的阵元不是完全分离的，而是相互交叠排列，保证两个子阵的相位中心基本
处于同一点。文献［１６；１７］在大型相控阵列天线中，通过恶化主瓣的平坦度，即在主瓣上加入小于３ｄＢ的波纹，从而增加主瓣的宽度。另外，也有采用减少辐射单元数目的方法来增加主瓣宽度【１８】。由于这些波束展宽方式需要优化各个阵元的相位值，因此如何快速解得所需波束宽度的各个阵元相位关系也是一个研究热点，国内外研究人员将多种快速优化算法应用到了相位关系求解中，文献［１９］中采用粒子群算法和遗传算法求相位关系，得到所需要的波束展宽效果。文献［２０］采用一种新型的基于排序的主动变异性退火．遗传算法（ＡＭＡＧＡ）求解相位关系。
上述几种基于相控阵的波束展宽研究，主要关注于阵列天线主瓣的特性，对于天线的旁瓣的零点特性完全没有关注；而且，这些波束展宽方法对波束展宽的效果不显著，只能将原有的波束展宽较小的角度，如果要得到很宽的主瓣，则需要非常多的阵元数目。此外，计算相位关系所采用的优化算法需要较多的计算量，难以实现实时控制。
阵列天线的波束赋形系统架构主要可分为两种，一种是早期的采用模拟的移相器来控制各个天线单元的相位关系实现阵列天线的波
束扫描，其原理如图１．１ａ所示；另一种是采用高速ＡＤＣ实现的数字波束赋形技术，其原理如图１．１ｂ所示。其中，早期的相控阵由于只控制阵列天线单元的相位关系，无法控制幅度关系，所以用它来实现波束赋形具有一定的限制。而数字波束赋形技术，虽然灵活性大大提高，依然存在以下几个问题；首先，由于ＡＤＣ技术的限制，现有的ＡＤＣ无法直接采样射频信号，如图１．１ｂ中的射频前端必
须包括下变频结构，这样就增加了整个系统的复杂度；其次，根据采样定理，ＡＤＣ的采样频率必须要大于中频信号频率的两倍１２１１，而在实际工程应用的，采样频率一般要高于中频的三倍，其中，中频信号不能太低，因为中频过低的话信号中会引入较大的１／．，噪声【２２１。另外，由于数字波束赋形技术中，我们需要采集较为精确的幅度信息与相位信息，所以，对ＡＤＣ的采样精度要求也较高。综合上述因素，对于数字波束赋形技术来说，首先其射频前端跟为复杂，其次，对于其中的关键模块ＡＤＣ，需要高精度、高采样频率。高精度、高采样频率的ＡＤＣ成本较高，而且对ＡＤＣ采样后的数字电路要求也更高。
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射频前端
移相器
（ａ）
ｆ石奋“企…‘△一一一一ｌ一一一一一ｌＩ…Ｔ………’。Ｉ—Ｉ…Ｉ
数字域
图１．１（ａ）相控阵系统架构，（ｂ）数字波束赋形系统架构。
１．３本课题主要研究内容及创新点
本课题的主要关注阵列天线赋形技术的研究。本课题首先研究了阵列天线方向图中零点的性质及其对阵列方向图的影响，本文从阵列天线的基本公式出发，研究了控制阵列天线零点实现天线波束赋形技
术的物理意义。
本课题提出了一种新型的阵列天线波束赋形方法，该方法通过调整天线方向图的零点来实现波束赋形，有别于传统的控制阵列天线主瓣的波束赋形技术。在实际应用中，我们需要根据信号的变化快速地实现阵列天线波束赋形，本论文提出了一种改进的功率倒置调零算法，我们在算法中加入虚拟的强干扰信号和高斯白噪声信号，使阵列天线在特定的方向产生一个零点，同时在其他方向产生一个近似全向的方向图。该算法可以快速扩展阵列天线的波束覆盖范围，同时将阵列天线的零点指向特定的无信号传输的方向。
为了验证上述天线波束赋形技术，我们首先通过计算与仿真来模拟上述的波束赋形技４
１绪论
术。与此同时，我们还设计了一种新型的波束赋形系统架构，该新型系统架构大大简化了传统阵列天线复杂的电路结构。实验测试结果证明了上述阵列天线波束控制算法能够快速有效地提高阵列天线
的波束覆盖范围。
本课题的创新点在于：
１．本课题提出了一种调整零点实现阵列天线波束赋形的方法。
２．本课题采用天线调零技术实现了波束展宽，这种新的方法通过调节零点的特性来展宽波束，可以实现阵列天线波束准全向性覆盖。而传统的波束展宽方式只关注天线的主瓣特性，通过复杂的迭代优化算法得到结果，而且只能小幅度地展宽波束。
３．本课题比较了阵列天线波束赋形技术中采用的不同的系统架构，研究了现有系统架构的优缺点，设计了一种新型的有源阵列天线系统，该系统采用矢量乘法器实现调幅与移相功能，大大简化了传统阵列天线复杂的电路结构，并且可以在射频端直接实现调零以及波束成型。
１．４论文的章节安排
第一章首先介绍了阵列天线波束赋形技术研究的背景和意义，在此基础上提出了本文的主要研究内容及创新点。
第二章主要介绍了阵列天线波束赋形技术的基本原理，阐述了控制零点实现阵列天线波束赋形技术的物理意义。
第三章主要介绍了采用零点控制技术实现阵列天线波束展宽的
原理，并引入改进的功率倒置算法实现波束快速展宽。
第四章主要对比了现有的波束赋形技术系统架构，并在此基础上提出了一种新型的系统架构，并详细阐述该新型系统架构的设计原理与方法。
第五章阐述了采用新型波束赋形系统架构验证上述阵列波束展
宽方法。第六章为全文总结。
２阵列天线零点控制波束赋形研究
阵列天线是指一类由不少于两个天线单元规则或随机排列，并通过特定的激励，即特定幅度与相位的激励信号激励，获得特殊的辐射特性的天线【１誓１。阵列天线的辐射特性由阵列天线的天线单元、天线单元的排列、以及激励信号的相位与幅度关系确定。由于阵列天
线能够快速灵活地实现可重构的波束、扫描波束等，所以高性能的阵列天线被广泛地应用于军事、遥感、通信、卫星定位等多个领域。
２．１阵列天线的基本原理
根据波瓣图乘法原理，即非各项同性而相似的点源阵的场波瓣图是其个别源波瓣图与该阵列中具有相同的位置、相对幅度和相位的各向同性点源阵波瓣图的乘积…。阵列天线总场Ｅ可以写成【１；２】Ｅ＝ｆ（Ｏ，≯）Ｆ（口，≯）么（矗（９，咖）＋弓（口，咖））（２．１）
其中，（９，≯）是个别源的场波瓣图，厶（９，≯）是个别源的相位波瓣图，Ｆ（Ｏ，≯）是各向同性源阵的场波瓣图，昂（ｐ，莎）是各向同性源阵的相位波瓣图。对于阵列天线，我们主要关注Ｆ（９，≯）和弓（ｐ，纠，假定阵列天线单元为各向同性点源。
以线阵为例，对于线性排列的各项同性点源，其与阵列排列方向平行面上的电场方向图可以写成【ｌ】：
Ｌ一１
Ｅ（９）＝∑Ａ（尬，忱）ｅｘｐＵｌｋｄｓｉｎ０）
１＝０（２．２）
其中，三表示天线阵元数目、Ａ（尬，忱）＝尬ｅｘｐ（一ｊｌｋｄｓｉｎ《ｌｐｔ）表示第ｆ个单元的激励信号、ｋ表示波数、ｄ是相邻两个单元之间的距离、护是极角、一ｋｄｓｉｎ《，ｏｚ是不同阵元之间的相位差。由公式２．２可知，通过调节尬与吼，即可以实现对阵列天线波束赋形。
智能天线波束赋形GOB算法与EBB算法比较
目前比较常用的波束赋形算法有2种：GOB算法和EBB算法。GOB算法是一种固定波束扫描的方法，对于固定位置的用户，其波束指向是固定的，波束宽度也随天 线阵元数目而确定。当用户在小区中移动时，它通过测向确定用户信号DOA，然后根据信号DOA选取预先设定的波束赋形系数进行加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。EBB算法是一种自适应的波束赋形算法，方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。其原则是使期望用户接收功率最大 的同时，还要满足对其他用户干扰最小。 实际设备中采用了EBB算法，需要说明的一点是，仅下行有波束赋形技术，上行方向，手机天线无法进行波束赋形，基站多个天线此时主要用于分集接收。 简单来说就是一个天线阵的运用，上行信号到达每个天线的时间是不一致的，但天线之间的相差是可以预知的，只要将每个天线上的上行信号做一个加权处理，所得信号将是同相信号，将天线阵上的信号相加，即可增加10logN*N db（此处应为10logN db——本人注）的信噪比；同理下行时，首先根据上行信号估计 空间特性，然后在天线阵上发送具有相差的信号，使各个天线下行信号到达接受机的信号同相。上下行中相位的加权运算就是波束赋形。 注解：波束赋形工作由基站完成 GOB 与EBB算法的区别 目前智能天线的赋形算法主要有以下两种： 一、GOB(Grid Of Beam)算法（又称波束扫描法）：它是基于参数模型（利用信道的空域参数）的算法，使基站实现下行指向性发射。 GOB算法的基本思路如下： 将整个空间分为L个区域，并为每个区域设置一个初始角度。以各个区域的初始角度的方向向量为加权系数，计算接收信号功率，然后找到最大功率对应的区域，再将该区域的初始角度当作估计的到达角。利用上下行信道对称的特点，确定赋形角度。 二、EBB(Eigenvalue Based Beamforming)算法（即特征向量法）：通过对空间
柔性共形阵天线技术的发展及应用
柔性共形阵天线技术的发展及应用 共形阵天线是和物体外形保持一致的天线阵，将天线阵面与载体外形“共形”，增强了适应性，相对于平面阵天线有很大的优势。在现代无线通信系统中，共形阵天线由于能够与飞机、导弹以及卫星等高速运行的载体平台表面相共形，且并不破坏载体的外形结构及空气动力学等特性，成为天线领域的一个研究热点，是新世纪相控阵雷达发展的一个重要方向。其中，柔性共形阵天线（后面重点介绍）是更先进的一种共形阵天线技术，不仅可以和任意曲面共形，能够随着外形变化进行动态调整适应而且对于飞行器因气动、冷热等引起的振动和外形变化具有更好的适应性。目前中国、美国、日本都在进行相关研究，中国已经研制成功采用圆柱阵的相控阵雷达和直升机共形天线。 共形阵天线技术发展历史 共形阵的研究实际上很早就开始了，上世纪30年代雷达刚刚出现的时候，科学家就开始对圆环阵、圆锥阵等特别形状天线进行研究，它们被视为共形阵的基础和突破口。上世纪80年代以后，随着信息革命的爆发，微电子技术迅速发展，一系列新器件、工艺的出现，为共形阵的运用打下了坚实的基础，目前共形阵已经开始部分实用，共形相控阵天线已经运用到各种雷达，如地面、舰载、机载探测雷达，电子战系统、通信系统等，运用领域也越来越广泛。 共形天线已经走入实用 共形阵天线技术特点 传统的相控阵雷达天线一般采用线阵或者平面阵，它的优点就是结构比较简单，技术处理比较容易，各方面理论比较成熟，因此费用、成本等较低，是目前相控阵雷达广泛使用的天线形式。不过平面相控阵天线也有自己一些先天的不足之处，限制它进一步的发展。 决定雷达探测距离两个参数：孔径和功率。想提高雷达的探测距离，就必须提高雷达的孔径，但是飞机上空间有限，难以找到较大的空间给平面阵，这样共形阵就出现了，共形阵最大的特点就是能够和载体表面共形，这样的话，就可以有效的扩展雷达天线的孔径，相
智能天线综述
文章编号:1006-7043(2000)06-0051-06 智能天线综述 肖炜丹,楼 吉吉,张 曙 (哈尔滨工程大学电子工程系,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:智能天线技术作为ITM -2000(International Mobile Telephone -2000,2000年全球移动电话)的核心技术之一,受到国内外移动通信业的高度重视.本文对智能天线的基本概念、基本原理和国内外研究现状等进行了综合论述,并讨论了其相关技术及应用和发展前景,最后对智能天线技术研究中的难点和应注意的问题发表了看法.① 关 键 词:智能天线;软件无线电;移动通信;ITM -2000;第二代移动通信系统;第三代移动通信系统中图分类号:TN911.25 文献标识码:A Summ arization of Sm art Antennas XIAO Wei-dan ,LOU Zhe ,ZAN G Shu (Dept.of Electronic Eng.,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China ) Abstract :Great attention is paid to the application of smart antennas by mobile communication trade both here and abroad as one of the key techniques for ITM -2000(International Mobile Telephone -2000).The paper presented basic concepts and principles of the smart antennas ,including its research situation at home and abroad ,and then discussed correlated technologies and potential applications.Finally ,the authors ’opinions were presented about the difficulties and the problems that should be considered in the research of smart antennas. K ey w ords :smart antenna ;software radio ;mobile communication ;ITM -2000;2G;3G 近年来全球通信事业飞速发展,通信业务的需求量越来越大,特别是第三代移动通信等新概念的出现,对通信技术提出了更高的要求.第三代移动通信系统的理想目标是有极大的通信容量,有极好的通信质量,有极高的频带利用率.在复杂的移动通信环境和频带资源受限的条件下达到这一目标,主要受3个因素的限制:1)多径衰落;2)时延扩展;3)多址干扰.为克服这些限制,仅仅采用目前的数字通信技术是远远不够的.近几年开始研究的移动通信的智能技术,即智能移动通信技术,包括智能天线、智能传输、智能接收和智能 化通信协议等,为克服和减轻这些限制,达到或接近第三代移动通信系统的理想目的,提供了最有力的技术支持,已成为第三代移动通信系统最重要的技术保证.而其中的智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力,不仅是目前解决个人通信多址干扰、容量限制等问题的最有效的手段,也被公认为是未来移动通信的一种发展趋势,成为第三代移动通信系统的核心技术.为便于广大通信爱好者能够对智能天线技术有所了解,本文将从智能天线的概念、原理、相关技术及其应用做一简要介绍. ①收稿日期:2000-06-01;修订日期:2000-11-15 作者简介:肖炜丹(1975-),男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工程大学电子工程系硕士研究生,主要研究方向:通信与信息系统. 第21卷第6期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.21,№.62000年12月 Journal of Harbin Engineering University Dec.,2000
均匀间距线列阵波束形成器
实验3 均匀间距线列阵波束形成器 姓名：逯仁杰 班级：20120001（12级赓1班） 学号：2012011112
1.实验目的 通过本实验的学习，加深对《声纳技术》中波束形成和方位估计的概念理解，理解声纳信号处理的基本过程，为今后声纳信号处理的工作和学习建立概念、奠定坚实的基础。 2.实验原理 波束形成器的本质是一个空间滤波器。当对基阵各基元接收信号作补偿处理，使得各基元对某个特定方向上的信号能够同相相加，获得一个最大的响应输出（幅度相加）；相应的各基元对其它方向的信号非同相相加，产生一定的相消效果的响应输出（对于各基元噪声相互独立的情况时功率相加）。这就是波束形成的工作原理。 常用的波束形成方法主要有时延波束形成法和频域波束形成法。在此基础上针对不同的阵形、设计要求以及背景噪声特性下还发展了许多波束形成算法。针对不同的阵形时的波束形成方法是指依赖于阵形的特殊性（如直线阵、圆阵、体积阵等）而得到的波束形成算法：如直线阵波束形成法、圆阵波束形成法，体积阵波束形成法等。 针对不同的设计要求也衍生出多种新型的波束形成算法。当对不同的频率响应要求相同的波束宽度时有恒定束宽波束形成法，当对波束的旁瓣级有要求时可采用切比雪夫加权波束形成法。当要求对阵列误差具有宽容性响应时失配条件下的波束形成器[6,362-382]。 如果利用噪声干扰的统计特性有高分辨最小方差无畸变响应（MVDR）波束形成法，线性约束最小方差（LCMV）波束形成法，线性约束最小功率（LCMP）波束形成法，自适应波束形成法等。 但不管是何种波束形成方法，其目的均是在干扰背景下获取某个方向的信号或估计信号的方位。下面仅给出时延波束形成和相移波束形成的基本原理。 时延波束形成法（时域）
波束赋形
TD-LTE双流波束赋形天线技术 双流波束赋形技术是TD-LTE的多天线增强型技术，是TD-LTE建网的主流技术，结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术，是中国移动和大唐移动共同创新的成果，也是中国通信产业技术能力的体现。 一、8天线双流波束赋形技术引入需求分析 多天线技术是天线技术发展趋势，现有TD-SCDMA已经引入了8天线，TD- LTE也引入了8发2收的天线配置，到LTE-A则将引入8发8收的天线配置。 考虑到提升覆盖能力和降低引入TD-LTE的CAPEX，TD-LTE系统中引入了8天线方案。另外，引入8天线还可以使TD-SCDMA平滑演进到TD-LTE，同时继续沿用并充分发挥TDD 系统在赋形方面的优势。 1．系统平滑演进需求 目前，TD-SCDMA网络正在全国迅速铺开。与此同时，TD-SCDMA演进技术TD-LTE也被提上了未来移动通信网络建设发展的日程。如何在进行TD-SCDMA网络建设的同时保证能够向TD-LTE实现平滑演进已经成为了运营商和设备供应商共同关注的焦点问题。 出于系统平滑演进的考虑，大唐移动提出了产品设备共平台设计的解决方案，有效的保护网络建设现有投资，保证网络升级的快速便捷。在主设备实现平滑演进的同时，从节约建网成本、降低建站难度等角度出发，需要尽可能保持TD-SCDMA网络已部署的天线系统不变，且可以在TD-LTE中继续使用。为实现天线系统的平滑演进，TD-SCDMA网络中进行宏覆盖主要采用的8天线，需要在TD- LTE网络中继续使用。 2．技术演进需求 波束赋形技术是一种基于小间距天线阵列的线性预处理技术，能够根据用户的信道特性进行波束赋形，具有扩大覆盖、提高系统容量、降低干扰的能力。作为TD-SCDMA的核心技术，波束赋形技术已在中国移动3G网络中广泛使用。 在LTE技术规范Release 8版本中，引入了单流波束赋形技术，对于提高小区平均吞吐量及边缘吞吐量、降低小区间干扰有着重要作用。但是，面对LTE Release 9以及LTE-Advanced系统的更高速率需求，有必要对波束赋形技术加以扩展。以LTE定义的最大发天线数8天线为例，由多天线理论可知，8×2天线系统的单用户MIMO至多可以同时传输两个数据流，这就意味着LTE Release 8规范中的单流波束赋形技术并没有充分开发信道容量。根据信道容量相关理论可知，信道容量为信噪比的对数函数，随着信噪比提升，容量增加趋势越来越缓；在高信噪比情况下，将某个数据流的功率降低一半并不会导致该数据流容量大幅降低，此种情况利用另一半功率来发送一个新的数据流将会极大地提升传输容量。 为满足TD-LTE系统中使用8天线以及扩展波束赋形技术以提升容量的需求，中国移动和大唐移动共同推出了采用8天线配置的双流波束赋形技术。 二、双流波束赋形技术介绍 双流波束赋形技术应用于信号散射体比较充分的条件下，是智能天线波束赋形技术（即单流波束赋形技术）和MIMO空间复用技术的有效结合，在TD-LTE系统中，利用TDD信道的对称性，同时传输两个赋形数据流来实现空间复用，并且能够保持传统单流波束赋形技术广覆盖、提高小区容量和减少干扰的特性，既可以提高边缘用户的可靠性，同时可有效提升小区中心用户的吞吐量。 根据多天线理论可知，接收天线数不能小于空间复用的数据流数。8天线双流波束赋形技术的使用，接收端至少需要有2根天线。 根据调度用户的情况不同，双流波束赋形技术可以分为单用户双流波束赋形技术和多用户双
波束形成
3.5 两种特殊的波束形成技术 3.5.1协方差矩阵对角加载波束形成技术 常规波束形成算法中，在计算自适应权值时用XX R ∧ 代替其中的X X R 。由于采样快拍数是有限的，则通过估计过程得到的协方差矩阵会产生一定误差，这样会引起特征值扩散。从特征值分解方向来看，自适应波束畸变的原因是协方差矩阵的噪声特征值扩散。自适应波束可以认为是从静态波束图中减去特征向量对应的 特征波束图，即:m in 1 ()()( )()(()())N i V V iv iv V i i G Q E E Q λλθθθθθλ* =-=-∑,其中()V G θ是 是自适应波束图，()V Q θ是静态波束图，即没有来波干扰信号而只有内部白噪声时的波束状态。i λ是矩阵X X R 的特征值。()iv E θ是对应i λ的特征波束图。 由于X X R 是 Hermite 矩阵，则所有的特征值均为实数，并且其特征向量正交，特征向量对应的特征波束正交。而最优权值的求解表达其中的X X R 是通过采样数据估计得到的，当采样快拍数很少时，对协方差矩阵的估计存在误差，小特征值及对应的特征向量扰动都参与了自适应权值的计算，结果导致自适应波束整体性能的下降。鉴于项目中的阵列形式，相对的阵元数较少，采样数据比较少，很容易在估计协方差矩阵的时候产生大的扰动，导致波束的性能下降，所以采用对角加载技术来保持波束性能的稳定及降低波束的旁瓣有比较好的效果。 （1）对角加载常数λ 当采样数据很少时，自适应波束副瓣很高，SINR 性能降低。对因采样快拍数较少引起自相关矩阵估计误差而导致的波束方向图畸变，可以采用对角加载技术对采样协方差矩阵进行修正。修正后的协方差矩阵为:XX XX R R I λ∧ =+ 。 自适应旁瓣抬高的主要原因是对阵列天线噪声估计不足，造成协方差矩阵特征值分散。通过对角加载，选择合适对角加载λ ，则对于强干扰的大特征值不会受到很大影响，而与噪声相对应的小特征值加大并压缩在λ附近，于是可以得到很好的旁瓣抑制效果。对于以上介绍的通过 LCMV 准则求得的权值o p t w 经过对角加载后的最优权值为：111()(())H opt XX XX w R I A A R I A f λλ---=++ （2）广义线性组合加载技术 对角加载常数λ 来修正采样协方差矩阵，能够有效实现波束旁瓣降低的同时提高波束的稳健性。但是对加载值λ 的确定有一定难度，目前还是使用经验值较多。于是，来考虑另外一种能够有效实现协方差矩阵的修正，而且组合参数
数字波束形成
摘要 随着高速、超高速信号采集、传输及处理技术的发展,数字阵列雷达已成为当代雷达技术发展的一个重要趋势。数字波束形成(DBF)技术采用先进的数字信号处理技术对阵列天线接收到的信号进行处理,能够极大地提高雷达系统的抗干扰能力,是新一代军用雷达提高目标检测性能的关键技术之一。并且是无线通信智能天线中的核心技术。 本文介绍了数字波束形成技术的原理，对波束形成的信号模型进行了详细的推导，并且用matlab仿真了三种计算准则下的数字波束形成算法，理论分析和仿真结果表明以上三种算法都可以实现波束形成，并对三种算法进行了比较。同时研究了窄带信号的自适应波束形成的经典算法。研究并仿真了基于最小均方误差准则的LMS算法、RLS算法和MVDR自适应算法，并且做了一些比较。 关键词：数字波束形成、自适应波束形成、智能天线、最小均方误差、最大信噪比、最小方差
ABSTRACT With the development of high-speed, ultra high-speed signal acquisition, transmission and processing technology, digital array radar has became an important trend in the development of modern radar technology. Digital beamforming (DBF) technology uses advanced digital signal processing technology to process the signal received by antenna array. It can improve the anti-jamming ability of radar system greatly and it is one of the key technology。It is the core of the smart antenna technology in wireless communication too。 This paper introduces the principle of digital beam forming technology, the signal model of beam forming was presented, And the digital beam forming algorithm under the three calculation criterion was simulated by MATLAB, theoretical analysis and simulation results show that the three algorithms can achieve beamforming, and made some comparison between the three algorithms. At the same time, made some study about the adaptive narrow-band signal beam forming algorithm. Learned and Simulateded the LMS algorithm base on minimum mean square error criterion and RLS algorithm and MVDR algorithm, and do some comparison Key Words:DBF, ADBF, Smart antenna, The minimum mean square error, The maximum signal to noise ratio
MIMO系统的波束形成技术及其仿真
MIMO 系统的波束形成技术研究及其仿真 杨尚贤1，王明皓2 （1.沈阳航空航天大学辽宁沈阳110136；2.沈阳飞机设计研究所辽宁沈阳110035） 摘要：概述了智能天线中的波束形成技术和MIMO 系统中空时分组码原理，基于传统的最小均方（LMS ）算法和MI - MO 系统中空时分组码，研究分析了两者相结合的可行性。 关键词：智能天线；LMS 算法；MIMO ；空时分组码；误码率中图分类号：TN821.91 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2012）24-0093-03 MIMO systems beamforming technology and its simulation YANG Shang -xian 1，WANG Ming -hao 2 （1.Shenyang Aerospace University ，Shenyang 110136；China ； 2.Shenyang Aircraft Design Institute ，Shenyang 110035；China ） Abstract:The overview of beamforming technology in the smart antenna and space -time block code principle in the multiple -input multiple -output （MIMO ）system ，studied and analyzed the feasibility of combination based on the traditional least mean square （LMS ）algorithm and the multiple -input multiple -output （MIMO ）system space -time block codes.Key words:smart antenna ；LMS algorithm ；MIMO ；STBC ；BER 收稿日期：2012-09-03 稿件编号：201209021 作者简介：杨尚贤（1985—），男，辽宁大石桥人，硕士研究生。研究方向：航空电子信息系统。 随着移动通信技术的快速发展，移动通信用户的数目迅速增加，有限的频谱资源难以满足日益增长的全球市场对于移动通信的巨大需求。采用多输入多输出（MIMO ）技术充分利用频域资源实现移动通信系统性能的有效提高，已经成为近些年来的研究热点[1-4]。在无线通信系统中，多径衰落和各种干扰是普遍存在的。智能天线技术能够有效地抑制多径干扰、同信道干扰、多址干扰等各类型的干扰。而空时编码技术可以在不损失带宽的情况下获得很高的编码增益和分集增益，从而实现抗多径衰落的目的。因此，如果将空时编码技术与波束形成技术相结合将会获得更好的系统性能，文中将对空时编码技术与波束形成技术相结合的可行性进行研究。 1智能天线中的自适应波束形成技术 自适应波束形成技术的基本原理，是根据一定的准则和 算法自适应地调整阵列天线阵元激励的权值，使得阵列接收信号通过加权叠加后，输出信号的质量在所采取的准则下最优。波束形成原理图，如图1所示。 经典的自适应波束形成算法有最小均方算法（LMS ）和递归最小二乘算法（RLS ），采样矩阵求逆（SMI ）算法，最小二乘横模算法（LS-CMA ），基于DOA 估计的空间线性约束最小方差算法（LCMV ）、最小方差无畸变响应（MVDR ）算法、特征子空间（ESB ）算法等，以上算法各有其优缺点[5-9]。本文将以LMS 算法为基础探讨研究波束形成技术。W （n +1）=W （n ）+12 μ[-Δ W （E {ε2（n ）}）]=W （n ）+μ[r xd -R xx W （n ）]（1） 其中，W 是加权向量，μ是常数，称为步长因子，ε（n ）是输出信号与有用信号之间的误差，r xd 是输入信号与有用信号的互相关矩阵，R xx 是输入向量自相关矩阵。 因为r xd ，R xx 都是统计量，因此实际计算需要用估计值代替，LMS 算法的原理[10]是：采用瞬时采样值进行这两项的估 计，即在第n 个快拍，r xd 和R xx 的估计值R 赞xd 和R 赞xx 为r 赞xd =d *（n ）x （n ）（2）R 赞xx =x （n ）x H （n ）（3） 于是将式（2）、（3）代入式（1）得， W （n +1）=W （n ）+μ[d *（n ）x （n ）-x （n ）x H （n ）W （n ）]=W （n ）+μx （n ）[d *（n ）-y *（n ）]=W （n ）+μx （n ）ε*（n ） （4） 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷Vol.20第24期No.242012年12月Dec.2012 图 1 波束形成原理图 Fig.1 Principle diagram of beamforming
CAPON波束形成_Matlab程序
CAPON 波束形成器仿真 1．实验原理 波束形成就是从传感器阵列重构源信号。（1）、通过增加期望信源的贡献来实现；（2）、通过抑制掉干扰源来实现。经典的波束形成需要观测方向(期望信源的方向)的知识。盲波束形成试图在没有期望信源方向信息的情况下进行信源的恢复。 波束形成技术的基本思想是：通过将各阵元输出进行加权求和，在一时间内将天线阵列波束“导向”到一个方向上，对期望信号得到最大输出功率的导向位置即给出DOA 估计。 虽然阵列天线的方向图是全方向的，但阵列的输出经过加权求和后，却可以被调整到阵列接收的方向增益聚集在一个方向上，相当于形成了一个”波束”。这就是波束形成的物理意义所在。 在智能天线中，波束形成是关键技术之一，是提高信噪比、增加用户容量的保证，能够成倍地提高通信系统的容量，有效地抑制各种干扰，并改善通信质量。 波束形成器的最佳权向量w 取决于阵列方向向量)(a k θ ，而在移动通信里用户的方向向量一般未知，需要估计(称之为DOA 估计)。因此，在计算波束形成的最佳权向量之前，必须在已知阵列几何结构的前提下先估计期望信号的波达方向。 Capon 波束形成器求解的优化问题可表述为 w arg min P(w)θ= 其约束条件为 1)(a w H =θ Capon 波束形成器在使噪声和干扰所贡献的功率为最小的同时，保持了期 望信号的功率不变。因此，它可以看作是一个尖锐的空间带通滤波器。最优加 权向量w 可以利用Lagrange 乘子法求解，其结果为 )(a R ?)(a )(a R ?w 1H 1CAP θθθ--=
当μ不取常数，而取作 )(a R ?)(a 11H θθμ-=时，最佳权向量就转变成Capon 波束形成器的权向量。空间谱为 )(a R ?)(a 1)(P 1-H CAP θθθ= 2．变量定义 M ：均匀线阵列数目 P ：信号源个数 nn ：快拍数 angle1、angle2、angle3：信号来波角度 u ：复高斯噪声 Ps ：信号能量 refp ：信噪比（实值） X ：接收信号 Rxx ：接收信号的相关矩阵 doa ：波达方向估计 3．仿真结果 采用上述算法进行仿真，结果如图所示。 在本仿真程序中，我们采用16个均匀线阵列，3个信号源，来波角度分别为5?、45?、20-?，信噪比均为10dB ，噪声为复高斯白噪声，快拍数1000。 由仿真结果看出，capon 波束形成器较好的给出了信号的doa 估计，但是在仿真的过程中，我们发现，capon 算法具有很大的局限性，其对扰和噪声是比较敏感的。 4．程序 clear all i=sqrt(-1); j=i; M=16; %均匀线阵列数目 P=3; %信号源数目 f0=10;f1=50;f2=100;%信号频率 nn=1000; %快拍数
智能天线技术
移动通信原理 学院：信息工程学院 班级：电子与通信工程 学号： 2111703317 姓名：蒋阿康 智能天线技术
随着移动通信的迅速发展，越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行，有限的频谱资源面对着越来越高的容量需求的压力。对于第二代移动通信系统GSM，在我国的一些大城市已经出现了容量供应困难的现象，小区蜂窝的半径已经很小，而目前作为应用研究重点的3G以及它的业务模式无疑将对网络容量有更高的要求。高速的数据业务将作为3G网络服务的一个主要特点，这使得网络数据流量尤其是下行方向上将有明显的提高。因此，为了在3G系统中实现与第二代系统明显的差别服务，充分体现3G系统在业务能力上的优势，网络容量将是网络的运营者必须重点考虑的问题。就目前的情况而言，智能天线技术将是提高网络容量最有效的方法之一，尤其对于3G 中以自干扰为主要干扰形式的通信系统。 天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线称为智能天线。与普通天线以射频部分为主不同，智能天线包括射频部分以及信号处理和控制部分。同时，由于终端在尺寸和成本上的限制，所以目前对于智能天线的研究主要集中在基站。 目前，普遍使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向图形式，而智能天线将具有根据信号情况实时变化的方向图特性。 图 1 如图1所示，在使用扇区天线的系统中，对于在同一扇区中的终端，基站使用相同的方向图特性进行通信，这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互间的干扰。而在使用智能天线的系统中，系统将能够以更小的刻度区别用户位置的不同，并且形成有针对性的方向图，由此最大化有用信号、最小化干扰信号，在频率、时间和码字的基础上，提高了系统从空间上区别用户的能力。这相当于在频率和时间的基础上扩展了一个新的维度，能够很大程度地提高系统的容量以及与之相关的目录。 1.智能天线技术的概念 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。 智能天线是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrival)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干
阵列天线波束赋形技术研究与应用
阵列天线波束赋形技术研究与应用 ⑧ 论文作者签名： 指导教师签名：皇直江本 论文评阅人１： 评阅人２： 评阅人３： 评阅人４： 评阅人５： 答辩委员会主席： 委员ｌ： 委员２： 委员３： 委员４： 委员５： 答辩日期：２０１４年３月９日 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的
同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位敝作者签名：惕扶％签字日期：沙、ｆ年＿；月∽学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名：伤双巧｝导师签名：重甫姐；寿 签字日期：签字日期：训ｌｆ年弓月Ｉ３日）移ｆ今年弓月ｌ驴日 致谢 时光飞逝，又到了毕业季。在浙江大学本科四年以及研究生两年半的求学生涯中，我不仅学到了专业知识，还领悟到了很多做人的道理。浙大“求是，创新”的校训一直陪伴我的成长，在我毕业之后，“求是，创新”也将一直作为我为人处事的准则。两年半的硕士研究生生活即将结束，回首过往，自己在学习、生活上都得到了很大的提升，这离不开来自家人、老师、同学及朋友的帮助。在此，衷心感谢那些帮助过我的人。 首先感谢我的导师皇甫江涛老师和冉立新老师对我学业上的帮助，感谢他们为我指点未来的科研之路，帮助我选择毕业之后出国深
大规模MIMO阵列波束形成
龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/af6181047.html, 大规模MIMO阵列波束形成 作者：阮西玥杨鑫贾曼华 来源：《科技视界》2019年第15期 【摘要】毫米波通信凭借通信容量大、传输质量高等优点被5G系统采用，并且其中的大规模天线阵列和波束形成技术已经成为5G系统中的关键组成部分。本文主要研究了毫米波通信系统中的波束形成技术。首先研究IEEE 802.15.3c标准规定的3c码本和N相位码本。并针对基于以上两种码本产生的波束旁瓣电平过高的问题，本文提出将均匀窗、二项式窗、汉明窗和高斯窗等6种常见的窗函数应用在码本矩阵中的方法，由此获得更优的波束性能。除此之外，还深入研究了3c码本和圆阵码本两种码本的训练机制。 【关键词】毫米波通信;大规模天线阵列;波束形成 中图分类号： U216.6 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）15-0004-002 DOI：10.19694/https://www.wendangku.net/doc/af6181047.html,ki.issn2095-2457.2019.15.002 Large-Scale MIMO Array Beamforming RUAN Xi-yue YANG Xin JIA Man-hua （Nanjing university of aeronautics and astronautics， Nanjing Jiangsu 210000， China） 【Abstract】Millimeter wave communication is adopted by 5G systems due to its large communication capacity and high transmission quality， and its large-scale antenna array and beamforming technology have become a key component in 5G systems. This paper mainly studies the beamforming technology in millimeter wave communication systems. First， study the 3c codebook and N-phase codebook specified in the IEEE 802.15.3c standard. For the problem that the beam sidelobe level generated by the above two codebooks is too high， this paper proposes to apply six common window functions such as uniform window， binomial window， Hamming window and Gaussian window to the codebook matrix. The method in which the better beam performance is obtained. In addition， the training mechanism of the 3c codebook and the circular matrix codebook is studied in depth. 【Key words】Millimeter-wave communications;Large-scale antenna arrays;Beamforming 1 波束基本概念
阵列雷达数字波束形成技术仿真与研究
阵列雷达数字波束形成技术仿真与研究 【摘要】本文首先介绍了数字波束形成的基本原理，随后对普通波束形成及基于LCMV准则和MVDR准则的单多波束自适应形成技术分别进行了原理介绍和仿真分析。仿真结果表明，基于自适应技术的数字波束形成能有效提取有用信号，并在干扰方向上形成零陷，有效的抑制噪声和干扰，大大提高了阵列雷达的天线性能。 【关键词】阵列雷达；波束形成；自适应 1.引言 波束形成（Beam Forming，BF）[1]是指将一定几何形状排列的多元阵列各阵元的输出经过加权、时延、求和等处理，形成具有空间指向性波束的方法。BF技术的广泛应用赋予了雷达、通信系统诸如多波束形成、快速、灵活调整方向图综合等许多优点。阵列天线的波束形成可以采用模拟方式，也可以采用数字方式，采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成（Digital Beaming Forming，DBF），它是天线波束形成原理与数字信号处理技术结合的产物，是对传统滤波技术的空域拓展，在通信领域中也称为智能天线技术。 2.普通波束形成 2.1 普通波束形成的基本原理 要研究数字波束形成技术，首先要建立阵列信号的表示形式。假设接收天线为N元均匀线阵，阵元间的间隔为d，各阵元的加权矢量为W=[w1，w2，…，wN]，假设信号为窄带信号S（t），信号波长为，来波方向为，经过加权控制的阵列天线示意图如图1所示[2]。 图1 阵列天线波束形成示意图 若以阵元1为参考点，则各阵元接收信号可以写成： （1） （2） 将上式写成矢量形式，得： （3） 称为为方向矢量或导向矢量。在窄带条件下，它只依赖于阵列的几何结构和波的传播方向，因此，均匀线阵的导向矢量可表示为：
TD-LTE双流波束赋形天线技术创新
TD-LTE双流波束赋形天线技术创新 双流波束赋形技术是TD-LTE的多天线增强型技术，是TD-LTE建网的主流技术，结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术，是中国移动和大唐移动共同创新的成果，也是中国通信产业技术能力的体现。 一、8天线双流波束赋形技术引入需求分析 多天线技术是天线技术发展趋势，现有TD-SCDMA已经引入了8天线，TD- LTE也引入了8发2收的天线配置，到LTE-A则将引入8发8收的天线配置。 考虑到提升覆盖能力和降低引入TD-LTE的CAPEX，TD-LTE 系统中引入了8天线方案。另外，引入8天线还可以使TD-SCDMA 平滑演进到TD-LTE，同时继续沿用并充分发挥TDD系统在赋形方面的优势。 1．系统平滑演进需求 目前，TD-SCDMA网络正在全国迅速铺开。与此同时， TD-SCDMA演进技术TD-LTE也被提上了未来移动通信网络建设发展的日程。如何在进行TD-SCDMA网络建设的同时保证能够向 TD-LTE实现平滑演进已经成为了运营商和设备供应商共同关注的焦点问题。 出于系统平滑演进的考虑，大唐移动提出了产品设备共平台设计
的解决方案，有效的保护网络建设现有投资，保证网络升级的快速便捷。在主设备实现平滑演进的同时，从节约建网成本、降低建站难度等角度出发，需要尽可能保持TD-SCDMA网络已部署的天线系统不变，且可以在TD-LTE中继续使用。为实现天线系统的平滑演进，TD-SCDMA网络中进行宏覆盖主要采用的8天线，需要在TD- LTE 网络中继续使用。 2．技术演进需求 波束赋形技术是一种基于小间距天线阵列的线性预处理技术，能够根据用户的信道特性进行波束赋形，具有扩大覆盖、提高系统容量、降低干扰的能力。作为TD-SCDMA的核心技术，波束赋形技术已在中国移动3G网络中广泛使用。 在LTE技术规范Release 8版本中，引入了单流波束赋形技术，对于提高小区平均吞吐量及边缘吞吐量、降低小区间干扰有着重要作用。但是，面对LTE Release 9以及LTE-Advanced系统的更高速率需求，有必要对波束赋形技术加以扩展。以LTE定义的最大发天线数8天线为例，由多天线理论可知，8×2天线系统的单用户MIMO至多可以同时传输两个数据流，这就意味着LTE Release 8规范中的单流波束赋形技术并没有充分开发信道容量。根据信道容量相关理论可知，信道容量为信噪比的对数函数，随着信噪比提升，容量增加趋势越来越缓；在高信噪比情况下，将某个数据流的功率降低一半并不会导致该数据流容量大幅降低，此种情况利用另一半功率来发送一个新
一种低轨卫星通信锥台共形阵列天线设计
电子设计工程Electronic Design Engineering 第26卷Vol.26第14期No.142018年7月Jul.2018 收稿日期：2017-12-08稿件编号：201712038基金项目：国家自然科学基金（61601295）；科技部国家重点研发计划（2017YFB0502902）；上海市扬帆计划 （16YF1411000）；中科院创新基金（CXJJ-16S033） 作者简介：李凯（1991—），男，山东莱芜人，硕士研究生。研究方向：卫星移动通信。现代低轨小卫星具有设备复杂度低（易小型 化）、通信时间延迟小、功能与抗毁性强、安全性高、 应急能力与灵活性强、实用性与可靠性高、系统建设 周期短、投资和发射与运营成本相对较小等特点[1]， 在科学探测、数据通信和消息传输等领域有着广泛 的应用。因此，对具有高增益、轻量化、低仰角等特 点的低轨卫星通信终端天线的需求日益迫切[2]。目前，为了使星载终端天线达到全空域波束覆盖的目的，阵列天线主要采用多面阵列天线、抛物面天线以及共形（曲面）阵列天线3种[3]。文献[4-7]将传统平面阵进行倾斜，使其与水平面形成一定的倾角，这样的阵列利用自有的倾角可以实现主瓣指向更大的俯仰角度，但这种设计会导致旁瓣相对较一种低轨卫星通信锥台共形阵列天线设计 李凯1，2，3，赵璐璐2，梁广2，吴迪2，余金培1， 2（1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050；2.上海微小卫星工程中心上海201210； 3.中国科学院大学北京100049） 摘要：针对平面阵列天线俯仰角指向角度有限的不足，设计了一种可实现全空域覆盖的卫星通信锥台共形阵列天线。该阵列采用类圆形的锥台形状，顶面为一平面阵列，侧面由12条棱面围合而成，其顶部平面阵列形成的波束覆盖上半空间的大部分区域，侧面12个棱面产生的波束分别覆盖低仰角空域。利用软件分析了锥台共形阵列天线在全空域时的方向图和增益特性，同时考虑实际应用时的阴影效应，使用锥台不同位置的阵元对不同空域进行波束形成。仿真结果表明该锥台共形阵列天线在全空域内波束覆盖良好。 关键词：锥台共形阵；全空域；波束形成；卫星通信 中图分类号：TN823.15文献标识码：A 文章编号：1674-6236（2018）14-0048-05 Design of truncated cone array antenna for LEO satellite communication LI Kai 1，2，3，ZHAO Lu?lu 2，LIANG Guang 2，WU Di 2，YU Jin?pei 1， 2（1.Shanghai Institute of Micro ?system and Information Technology ，Chinese Academy of Science ，Shanghai 200050，China ；2.Shanghai Engineering Center for Micro ?satellite ，Shanghai 201210，China ；3.University of Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100049，China ） Abstract:Aiming at the limited Angle of the planar array antenna ，a satellite communication truncated cone array antenna with full airspace coverage is designed.The array adopts the type of conical shape ，its top surface is a planar array ，and the cone side surface is surrounded by a combination of 12edges.The beam formed by the top planar planar array covers most area of the high elevation and the 12edges cover the low elevation area.The antenna directional pattern and gain characteristics of the truncated cone array antennain the full airspace is analyzed by software.At the same time ，the shadow effect in practical application is considered ，and the beams in different direction domains are formed by the array elements of different positions.The simulation results show that the truncated cone array antenna has good directional patterns.Key words:truncated cone array ；full airspace ；beamforming ；satellite communications --48