电子科技大学：《近代天线理论 Modern Antenna Theory》课程教学资源（课件讲稿）09 信号处理天线

近代天线理论 第六章信号处理天线

1 第六章 信号处理天线 近代天线理论

例 ■ 自适应天线简介 自适应抗干扰算法 ■1 MIMO天线简介 2

2  自适应天线简介  自适应抗干扰算法  MIMO天线简介

6.1自适应天线简介 ■天线阵：经合理设计，提供适当的幅度和相位激励后，天线阵可 设计为功能强大、理论上说可具有任意形状的方向图。例如相 控阵波束扫描，低副瓣/超低副瓣，多波束，赋形波束，方向图零 点控制，全向波束等； ■但是在实际应用环境中，仅仅实现预先给定的方向图仍然不够， 因为在许多实际系统中，所需要的天线阵方向图确切形状往往 无法事先预测。譬如： 雷达系统：敌方干扰源方向和噪声对需要信号的干扰。 通信系统：需要信号的来波方向的判定； 于是人们很自然地想到：能否设计出一种对于环境变化自动适 应的天线阵呢？ YES 答案就是自适应天线（阵） 3

3 天线阵：经合理设计,提供适当的幅度和相位激励后,天线阵可 设计为功能强大、理论上说可具有任意形状的方向图。例如相 控阵波束扫描,低副瓣/超低副瓣，多波束，赋形波束，方向图零 点控制，全向波束等； 但是在实际应用环境中，仅仅实现预先给定的方向图仍然不够， 因为在许多实际系统中，所需要的天线阵方向图确切形状往往 无法事先预测。譬如：  雷达系统：敌方干扰源方向和噪声对需要信号的干扰.  通信系统：需要信号的来波方向的判定； 于是人们很自然地想到：能否设计出一种对于环境变化自动适 应的天线阵呢？ 答案就是自适应天线(阵) 6.1自适应天线简介

1、前言 一、自适应天线的起源与发展 自适应天线的发展可以追溯到二十世纪五十年代。1956年， Altman和Sichak提出使用锁相环技术来组合从不同接收天线接收 到的信号的方法。 基本原理：在将各阵元信号相加来产生阵列输出之前，调准各 阵元信号相对于参考信号的相位。 4

4 一、自适应天线的起源与发展 自适应天线的发展可以追溯到二十世纪五十年代。1956年， Altman和Sichak提出使用锁相环技术来组合从不同接收天线接收 到的信号的方法。 基本原理：在将各阵元信号相加来产生阵列输出之前,调准各 阵元信号相对于参考信号的相位。 1、前言

x1() s1① 混频器 v1() 相位检波器 输出 VCO 滤波器 2① s2① 混频器 v2) 相位检波器 VCO 滤波器 参考信号t) 图1.1锁相环阵列 利用锁相环，自动调整1①和r)相位直至相同；对于所有阵元 均选用同参考信号r:故s1)和s2@均同相，同相信号再相加 就可得出最大的输出信号功率 5

5 图1.1 锁相环阵列 利用锁相环,自动调整s1(t)和r(t)相位直至相同；对于所有阵元 均选用同一参考信号r(t)；故s1(t)和s2(t)均同相, 同相信号再相加 就可得出最大的输出信号功率

锁相环阵的方向图是由来波信号的方向控制的。它可以自动形 成一个跟踪信号的波束。 锁相环阵甚至可用于抑制噪音，能在输出端产生最大可能的信 噪比(D.E.Svoboda,IEEE TAP,1964) 锁相环阵的缺点：易受干扰 因为只能跟踪一个信号。若有几个信号，则阵就容易分辨不 清。若到达的干扰信号比需要信号强时，干扰信号就很容易被天线 的波束所截获。 6

6 锁相环阵的方向图是由来波信号的方向控制的。它可以自动形 成一个跟踪信号的波束。 锁相环阵甚至可用于抑制噪音，能在输出端产生最大可能的信 噪比（D.E. Svoboda, IEEE TAP,1964）。 锁相环阵的缺点：易受干扰. 因为只能跟踪一个信号。若有几个信号，则阵就容易分辨不 清。若到达的干扰信号比需要信号强时,干扰信号就很容易被天线 的波束所截获

由于锁相环阵易受干扰信号影响，人们开始探索一些新的自适 应天线阵。 二十世纪六十年代早期，两个研究小组独立地提出了自适应干 扰置零的概念. >小组一：GE的P.W.Howells,.旁瓣抵消器(US Patent,,Aug. 1965)； >小组二：GE的S.P.Applebanm,最大化SNR(Technical Report,, Aug.1966); 1967年，Shor发表了关于自适应阵的论文一shor阵 1967年，B.Vidrow发表了称为LMS(最小均方)自适应阵的论文； 7

7 由于锁相环阵易受干扰信号影响，人们开始探索一些新的自适 应天线阵。 二十世纪六十年代早期，两个研究小组独立地提出了自适应干 扰置零的概念. 小组一: GE的P.W.Howells, 旁瓣抵消器 (US Patent, Aug. 1965); 小组二: GE的S.P.Applebanm, 最大化SNR (Technical Report, Aug. 1966); 1967年，Shor发表了关于自适应阵的论文—shor阵; 1967年，B.Widrow发表了称为LMS(最小均方)自适应阵的论文;

上述贡献开创了自适应阵领域研究领域； 随后的发展大约经历了三个阶段： >第一阶段：（大约十年）主要集中在自适应波束控制上， 如返向波束、自适应相控天线等； >第二阶段：主要集中在零点控制上；如自适应滤波器、 自适应调零、自适应旁瓣对消、自适应杂波抑制等等； >第三阶段：主要集中在空间谱估计上，如最大似然估 计、最大熵谱估计、特征空间估计等等； 8

8 上述贡献开创了自适应阵领域研究领域； 随后的发展大约经历了三个阶段: 第一阶段: (大约十年)主要集中在自适应波束控制上, 如返向波束、自适应相控天线等； 第二阶段: 主要集中在零点控制上；如自适应滤波器、 自适应调零、自适应旁瓣对消、自适应杂波抑制等等； 第三阶段: 主要集中在空间谱估计上，如最大似然估 计、最大熵谱估计、特征空间估计等等;

随着电子计算机、大规模集成电路和数字信号处理 技术的发展，采用数字处理方法来形成相控阵雷达接收 波束变为可能；相应地，与自适应阵结合形成了数字波 束形成器DBF); 自适应天线在无线通信领域与各种通信形式如 TDMA、CDMA等相结合形成了智能天线；MIMO; 自适应天线在各种不同的应用领域有许多大体等价 的名称：空域自适应滤波器、数字波束形成DBF)、自 适应阵列小智能天线等 9

9 随着电子计算机、大规模集成电路和数字信号处理 技术的发展，采用数字处理方法来形成相控阵雷达接收 波束变为可能；相应地，与自适应阵结合形成了数字波 束形成器(DBF); 自适应天线在无线通信领域与各种通信形式如 TDMA、CDMA等相结合形成了智能天线; MIMO； 自适应天线在各种不同的应用领域有许多大体等价 的名称：空域自适应滤波器、数字波束形成(DBF)、自 适应阵列、智能天线等

二、自适应天线的共性 对每个阵元的信号同时进行增益(A)和相位（Φ）调整； 自适应问题→优化问题（关于增益和相位的变量优化）； 性能指标→优化目标，如Max(SINR); (SINR-Signal to Interference plus Noise Ratio; 信号与 干扰加噪声比) 增益和相位调整 阵输出 反馈控制 性能指标 10 图1.2普通的自适应阵

10 二、自适应天线的共性 对每个阵元的信号同时进行增益(Ai)和相位(Φ i)调整; 自适应问题→优化问题(关于增益和相位的变量优化); 性能指标→优化目标,如Max(SINR); (注:SINR—Signal to Interference plus Noise Ratio; 信号与 干扰加噪声比) 图1.2 普通的自适应阵