波束形成与智能天线.ppt

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1、第五章关于波束形成理论与智能天线技术5.3相位控制阵列天线5.4数字波束形成与自适应天线25.3相位控制阵列天线基本原理：通过控制信号在阵内的延迟以抵消来自不同方向的信号在空间的延迟，以使各阵元间的信号能够同相相加，从而获得波束指向和方向增益。利用阵元的排列获得波束的形状，利用阵元间相位的控制来控制器波束的指向。35.3.1二元相控阵天线延迟阵元1阵元2y(t)x(t)x(t+Δԏ)+阵列输出：4阵列输出：其中：称为空间相差，是由电磁波空间波程差引起的相位差。称为阵内相差，是由阵内延迟单元延迟引起的相位差5。阵内相差对应的波束指向为：天线阵列的幅度方向图为：6天线阵列的幅度方向图：78

2、+延迟阵元1y(t)x(t)x(t+Δԏ)由二元相控阵天线原理框图：阵元1x(t)阵元2+延迟x(t+Δԏ)y(t)阵元1x(t)阵元2+延迟x(t+Δԏ)910由5.2.1节公式5.16知：由N个均匀排列在一条直线上的阵元组成的相控阵天线的输出：11相应的幅度方向函数为：12当N很大时，上式可近似为：13由上式可知，大阵列（N很大）的均匀直线相控阵天线的方向参数近似为抽样函数，其主要参数如下：1、波束指向：由公式得波束指向：2、波束宽度：143、副瓣电平：4、零点位置：5、方向增益：15均匀直线相控阵天线是最为简单的相控阵天线。对于一个实际的相控阵天线，影响其方向图的因素有：阵元的

3、排列与间隔阵元间的相位关系阵元的元因子16阵元的排列与间隔（d)：空间相差：阵元的排列与间隔决定了阵列的空间相差，从而决定了波束的形状。阵元可排列为直线阵，圆阵，面阵或者共形阵。阵无的间隔可均匀排列或非均匀排列。17阵元间的相位关系():阵元间的相位关系决定了阵列的阵内相差，系统通过控制阵元间的相位差就可以控制天线波束的指向。18阵元的元因子：阵元的总方向函数是阵元的元因子（方向函数)和阵列的阵因子（）之积。因此，同样的天线阵列，采用不同的阵元，所获得的方向图是不同的。另外，利用元因子的方向函数，还可以在一定程序上抑制相控阵天线出现的栅瓣。195.3.3相控阵天线的相位控制方

4、法无线电系统一般分为射频，中频和基带三大部分，其中基带主要指数字基带。对阵元相位的控制可以在这三个环节中的任一环节进行，相应的将相位控制方法分为射频移相法，中频移相法和数字基带移相法三种。20射频移相法：优点：移相处理位于系统的最前端，各阵元通道的一致性好，形成的波束受系统通道不一致的影响小；缺点：在射频段移相的损耗大，相比于中频移相其实现成本更高。21中频移相法：优点：可以灵活地选择移相实现的频率，相对于射频移相的实现成本更低，移相的分辨率和精度更高。缺点：由于移相前接收信号经过了各自通道的混频器，因此系统对各通道混频器间的一致性，稳定性要求很高。22数字基带移相法:优点：数字基带移

5、相法可以在一套硬件平台上通过数字多波束形成算法同时获得不同指向的波束，无需电子或机械扫描就可以覆盖较大的角度范围。这种在数字基带上采用数字方法进行波束形成的技术称为数字波束形成(DBF)技术。缺点：数字基带移相系统中各阵元通道除需要A/D转换外，一般还需要混频处理，因此实现成本最高，各通道间的一致性更难保证。235.3.4宽带相控阵天线对于超宽带的软件无线电系统，如果仍采用以相位控制器来近似代替延迟控制的技术手段，那么在较大频带宽度内同一相位信号的空间延迟就会相差较大，信号产生的阵内延迟就不能在整个带宽内抵消信号的空间延迟，从而使得天线的小事指向产生偏移，天线的方向增益下降等，在宽角扫

6、描时更为严重，这种现象在相控阵天线中被告称为孔径效应。解决孔径效应的方法就是采用直批准逮捕延迟控制器来代替间接的相位控制。这种方法在相控阵天线中也称为真延时法。目前，实现真延时控制的方法主要有两种：光纤延时法和数字延时法。242.数字延时法：数字延时法是利用数字延时算法对数字信号进行处理从而获得不同的延时。从理论上讲，数字延时结构就是一个理想的斜率任意可变的线性相位全通滤波器，但物理不可实现，只能采用内插或逼近的方法来近似实现。其中，内插的方法应用更多。25（1）、低通内插滤波器（Sinc内插器）：其单位冲激响应为：26（2）、频率采样内插滤波器：其单位冲激响应为：27（3）、拉格朗日

7、内插滤波器：其单位冲激响应为：28（4）、最平均数延迟内插滤波器（SAS滤波器)：其单位冲激响应为：29这四种滤波器的幅频特性和群延迟特性如教材P147-图5.17所示：由图可见，幅度响应起伏大小：频率采样内插滤波器起伏最大，其交为低通内插滤波器，而拉格朗日内插滤波器在归一化频率F=0.8附近急剧下降。SAS内插滤波器在几乎所有的方向保持了较为平坦的幅度响应。群延迟特性：频率采样内插滤波器的群延迟响应起伏最大，其次为低通内插滤波器，拉格朗日内插