一种基于优化算法的多波束赋形方法

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1、第31卷第4期航天电子对抗490引言一种基于优化算法的多波束赋形方法杨佳敏(中国航天科工集团8511研究所，江苏南京210007)摘要：针对稳健的自适应波束形成，研究多波束赋形方法，阐述了波束域的赋形方法，并研究分析了波束赋形算法，验证了多波束赋形方法能够增强波束的稳健性。提出的多波束赋形算法实现简单，赋形效果良好，再经过智能算法对多个波束的幅度相位进行优化后，能够获得主瓣平坦的波束方向图。仿真结果验证了其能够获得理想的波束方向图，不仅能够展宽主瓣宽度，而且使主瓣增益增大，从而增强了波束的稳健性。关键词

2、：自适应波束形成；稳健性；多波束赋形中图分类号：TN978文献标识码：A无线通信系统常常要求天线阵列形成具有特定的主瓣宽度与形状的方向图，也就是需要进行波束赋形。波束赋形也就是阵列天线的方向图综合。方向图综合是通过改变阵元的加权系数来产生所需的天线方向图，与阵元的相位、幅度及阵元空间分布有关。方向图综合可以用来形成特定形状的主瓣，约束旁瓣电平及在指定方向产生零点。最初的波束赋形方法，是Dolph用Chebyshev多项式法来获得等旁瓣的方向图。在给定副瓣电平的情况下，能形成最窄主瓣宽度；在给定主瓣宽度情

3、况下，能形成最低的旁瓣uj。之后Taylor等人也提出了各种具有均匀旁瓣的方向图综合方法，又有Hyneman等提出了旁瓣电平包络随方向角变化的方向收稿日期：2014—08—20；2015—07—01修回。作者简介：杨佳敏(1986一)。女，工程师，硕士。主要研究方向为雷达信号处理、阵列信号处理。图的综合方法。但这些方法只适用于由均匀分布的各向同性阵元构成的阵列，而不能直接用于任意阵。Perini[21以及Tseng[31等人基于自适应阵理论提出了多种任意阵的方向图赋形方法。后来智能优化算法如遗传算法等被

4、应用于方向图综合。Tennant[41使用遗传算法来控制干扰方向的零陷，Marcano[51用遗传算法进行线阵和平面阵的波束赋形。多波束天线作为卫星通信系统等领域的一项重要的新技术，在近代得到了快速的发展。多波束天线是指系统同时发射多个并行波束，通过调整天线阵的权值控制每个波束的形状与方位。多波束天线具有高增益，大覆盖面等优势。20世纪60年代在国外就有了关于多波束天线的研究理论，如用于多波束天线网络的Butler矩阵。现在很多通信卫星上都使用了多波束天线，如Globalstar与Iridium通信卫星

5、系统。l波束域赋形算法波束形成的基本思想是通过将各阵元输出进行加．1，七，m七阱d．一曲汕甜础汕阱删蜘№诎淼诎舢～出删淼羔，～n叭n咖“m．‰扎则鹕麓池‰一‰m小旅讹础诧姚k眦舢一出～一．薹～略!蓍一一～一一一一溅～晌～一一一一～一一咖胁一一～～～一一～．一№一一一一一～～一妣、咖攀～岫m舶勒一～～一～一一～一一蚪础淼畿篇．～一一一～一一～～一nR¨忱m～∞叫出一～一～一一一一肌一一㈨～一～～一～一一一㈨一一～～一～一一50航天电予对抗2015(4)权求和，在同一时间内将天线阵列波束导向到一个方向上，对

6、期望信号得到最大输出功率的导向位置给出波达方向估计，其目的是为了增强特定方向信号的功率。单个波束的方向图p(口)为[6]：p(口)一IWHn(p)I(1)当W对某个方向0的信号同相相加时得到P(口)的模值最大。所谓的带指向的方向图，其信号的指向是通过控制加权相位来实现的，即相控阵列。多波束形成是用多组加权系数对信号进行加权，每组加权系数在所要求的方向饥(足一1，2，⋯，P)上形成一个主瓣，其实质是按每个波束的指向来确定要补偿的相位差，并根据各波束单元信号的幅度差异和天线副瓣要求的幅度加权系数来进行幅度调

7、整，例如对权值加各种窗函数。这样产生多个具有任意指向间隔的波束，每个波束指向即各波束的间距可以调整，且各个波束可因幅度加权系数不同而具有不同的波束形状。这里加权矢量可以根据不同情况的要求而自适应的变化，也就是实现自适应的波束控制。如果是普通多波束形成，则每一个发射波束的加权系数即为此波束的方向指向0。(是一1，2，⋯，P)所对应的导向矢量a(良)。单个波束的波束宽度也即波束主瓣半功率下降点的宽度，由天线孔径来决定。使用多波束来实现波束域赋形，是利用多个指向间隔一定的单波束来形成一个和波束，各个单波束阵元

8、加权值不同，使这个和波束的波束宽度比单个波束宽度有所展宽，并且和波束的增益要大于单个波束的增益。2仿真实验和性能分析仿真参数：下面的仿真中采用的阵型为4×4阵元的均匀方阵，阵元间距为半波长，阵元个数为16，通过4个单个波束来形成一个和波束。阵型结构如图1所示，单个波束的方向图如图2所示。可以得出，在图1阵型结构下产生的单波束的波束宽度为26。。仿真实验1：下面是用4组指向不同的多波束进行赋形的仿真实验，为了更直观地看出和波束形状变化情况，这