共形阵列宽带波束形成设计与实现
天线阵列和波束成形技术在通信系统中的应用与性能分析
天线阵列和波束成形技术在通信系统中的应用与性能分析引言在现代通信系统中，天线阵列和波束成形技术被广泛应用于移动通信、卫星通信、无线电通信等领域。
这些技术的目标是提高通信系统的性能，包括信号传输效率、容量和覆盖范围。
本文将着重介绍天线阵列和波束成形技术的原理、应用以及对通信系统性能的影响进行详细分析。
一、天线阵列技术1.1 原理天线阵列由多个天线单元组成，通过对每个天线单元的信号相位和幅值进行调节来实现波束的形成。
天线阵列的主要优势在于它可以通过控制天线单元之间的干涉来改变天线的辐射特性，使得天线的辐射能量可集中在某一特定方向上。
1.2 应用天线阵列技术在通信系统中有广泛的应用。
例如，在移动通信中，天线阵列可以用于实现空间分集和空间复用，提高无线信道的容量和覆盖范围。
在卫星通信中，天线阵列可以提高天线对地球的信号接收灵敏度，提高通信质量和传输速率。
此外，天线阵列还可以应用在雷达、无线传感器网络等领域。
1.3 性能分析天线阵列技术的性能受到多种因素的影响。
首先，天线阵列的天线间距、天线数目和天线元件的特性会影响辐射波束的聚焦能力和方向性。
其次，信号传输过程中的信道状态和噪声对于天线阵列的性能也起着重要的作用。
此外，天线阵列的窄波束和宽波束的切换速度也是衡量性能的重要指标。
综合考虑这些因素，设计和优化天线阵列的参数和结构，以实现最佳的通信性能是一个挑战。
二、波束成形技术2.1 原理波束成形技术是指通过调整信号的相位和幅值来形成指向特定方向的波束。
与天线阵列不同，波束成形技术可以适用于任意类型的天线结构，包括单个天线、天线阵列和天线网络。
2.2 应用波束成形技术可以广泛应用于无线通信系统中。
例如，在移动通信中，波束成形可以用于提高基站和用户之间的链路质量，克服传输过程中的多径效应。
在卫星通信中，波束成形可以提高信号接收和发射的效率，并减少与周围环境的干扰。
此外，波束成形技术还可以应用于声波通信、雷达、无线电导航等领域。
一种全数字滤波器的共形阵宽带阵列波束 合成方法
实际应用中，应综合考虑带内群时延波动和线性时延带宽两方面的因素选择窗函数。
(a)
(b)
Figure 1. (a) Amplitude frequency response; (b) Partial enlarged view of amplitude frequency response 图 1. (a) 幅度频率响应；(b) 幅度频率响应局部放大
Keywords
Conformal Array Antenna, Fractional Delay, Digital Beamforming
一种全数字滤波器的共形阵宽带阵列波束 合成方法
郭涛涛，吴 邈
中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州
收稿日期：2018年4月4日；录用日期：2018年4月20日；发布日期：2018年4月27日
起到纯相位滤波的作用。滤波器的冲激响应可以表示为
= h (n) sinc(n − Delayi )
(1)
其中， Delayi 表示 i 阵元与参考阵元的时延，根据时延是否为整数，时延滤波器可以分为整数时延滤波 器和分数时延滤波器。
当 Delayi 不是整数时，h (n) 是非因果的，实际中，通常用加窗来实现(窗函数可以选矩形窗、汉明窗、
(a)
(b)
Figure 2. (a) Group delay response; (b) Partial enlarged view of group delay response 图 2. (a) 群时延特性；(b) 群时延特性局部放大
DOI: 10.12677/hjwc.2018.82009
一种用于共形相控阵的宽频带宽波束双圆极化微带贴片天线
一种用于共形相控阵的宽频带宽波束双圆极化微带贴片天线郭 健,沈 泉(中国电子科技集团公司第39研究所 陕西西安 710065)摘 要:介绍了一种用于共形相控阵天线的宽频带宽波束双圆极化微带贴片天线,并利用Ansoft 公司的电磁场高频结构仿真软件HFSS 对所设计的天线进行计算分析。
所设计的微带贴片天线在设计频段内反射损耗小于-20dB ,半功率波束宽度大于±60°。
关键词:微带贴片天线;宽频带宽波束;电磁场高频结构仿真软件;反对损耗中图分类号:TN821 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2007)0814502A Type of Circular Polarization Microstrip Patch Antenna withB roadband and WideB eamwidth Used in Conformal Phased ArrayGUO Jian ,SH EN Quan(No.39th Institute ,Electronic Science &Technology Group Corporation of China ,Xi ′an ,710065,China )Abstract :A type of circular polarization microstrip patch antenna with broadband and wide angle used in conformal phased array is described and the designed antenna is analyzed with High Frequency Structure Simulation (HFSS )for electromagnetic field of Ansoft.The return loss is less than -20dB and the half power beamwidth is more than ±60°within design f requency of the designed antenna.K eywords :microstrip patch antenna ;broadband and wide beamwidth ;HFSS ;return loss收稿日期:20061025 共形相控阵天线要求其天线能在飞机、舰船及车辆等任意弯曲的表面上进行安装,并与之共形。
超宽带天线设计及共形阵列综合研究
超宽带天线设计及共形阵列综合研究超宽带天线设计及共形阵列综合研究随着无线通信技术的快速发展，越来越多的应用场景对高速、大容量的数据传输进行需求。
超宽带（Ultra-Wideband，简称UWB）通信作为一种新型的无线通信技术，以其高速、低功耗、抗干扰等特点成为各行各业关注的热点研究方向之一。
天线作为无线通信系统中的重要组成部分，对整个系统的性能起着至关重要的作用。
因此，超宽带天线的设计和优化成为了研究的一个重点。
首先，超宽带天线的设计需要满足很宽的工作频带要求。
传统的窄带天线由于其设计出的频率范围较窄，难以满足超宽带通信系统的需求。
因此，设计超宽带天线的关键在于拓宽其频率响应。
一般使用宽带螺旋天线或宽带微带天线等结构来实现宽频带的要求。
此外，通过优化天线的尺寸和形状，可以进一步拓宽频率响应。
在设计过程中，需要合理选择和优化各种参数，如天线长度、宽度、高度、介电常数等，以实现超宽带的操作频带。
其次，共形阵列作为一种新型的多天线系统结构，可以有效地提升天线阵列的性能。
共形阵列通过将天线设计成与其外部环境相似的形状，并布置在特定的位置上，以提高系统对信号的接收和发射效果。
在超宽带通信系统中，共形阵列能够有效地实现波束形成、多路径干扰抑制等功能。
因此，研究超宽带天线与共形阵列结合的方法，对提升超宽带通信系统的性能具有重要意义。
在超宽带天线的设计和共形阵列的研究中，可以采用多种方法和技术。
例如，可以使用计算电磁学模型进行仿真分析，通过优化算法和优化工具进行参数调整和优化，并利用实验方法对设计结果进行验证。
在设计过程中，还需考虑天线的辐射特性、增益、极化特性、效率等因素，并与系统需求相匹配。
此外，还需要考虑到天线的重量、成本等实际应用要求。
综上所述，超宽带天线设计及共形阵列是一个复杂而重要的研究领域。
通过合理的设计和优化，可以提高超宽带通信系统的性能，满足各种应用场景对高速、大容量数据传输的需求。
未来，随着无线通信技术的不断发展和应用场景的不断拓展，超宽带天线设计及共形阵列的研究将越来越显得重要和迫切综合上述所述，超宽带天线设计及共形阵列的研究对于提升超宽带通信系统的性能具有重要意义。
阵列波束形成算法
阵列波束形成算法
阵列波束形成算法是一种利用阵列信号处理技术实现波束指向
的方法。
该算法通常被应用于雷达、通信、声学等领域中，其基本思想是通过阵列中的多个传感器，将来自同一方向的信号相加叠加，从而增强目标信号的强度，同时抑制来自其他方向的干扰信号。
阵列波束形成算法主要包括线性阵列和均匀圆形阵列两种形式。
其中，线性阵列通常由多个等距离排列的天线组成，通过调整天线间的距离和相位差，来实现波束指向。
而均匀圆形阵列则是由多个等距离分布在圆周上的天线组成，通过调整各个天线的相位差实现波束指向。
在实际应用中，阵列波束形成算法还需要考虑到信号的多径效应、频率偏移、噪声等问题，因此需要结合其他信号处理技术进行优化和改进。
例如，空时码分多址技术可以用于增强信号的抗干扰能力，最大似然估计方法可以提高信号的解调精度等。
总之，阵列波束形成算法是一种常见的信号处理方法，其应用范围广泛，具有重要的理论和实际意义。
- 1 -。
宽带波束形成技术的研究
#xx ( L ) ∀ ∃ #xx ( 0)
- 1
#dx ( 0 ) ∃ #dx ( L) 。 ( 8)
P= #xx ( L)
在信号通过以这些系数为其冲击响应的 N 个 FIR 滤波器后 , 在要求的频带范围内即可满足超增 益处理的要求。 最后 , 给出特定频率响应 FIR 滤波器的设计步 骤如下 : 步骤 1 在所要设计的滤波器的频段内抽取多 个频率, 最好使各频率均匀相同。根据这些频率上 的设计指标按式 ( 9 ) 得出伪滤波器的输出。给出自 适应滤波器的阶数及代价函数的初值。
0
引言
现的 , 主要是利用 FIR 滤波器实现各阵元的加权 , 其 本质是利用具有线性相位特性的滤波器的群时延去 补偿空间信号到达不同阵元之间的相对延时。 设 FIR 滤波器单位脉冲响应 h( n) 长度为 N , 其 传输函数为 :
H ( ej ) =
N- 1 n= 0
随着电子对抗技术的发展 , 电子侦察卫星的发 展已经成为各国发展电子侦察装备的重点。由于卫 星侦察覆盖地域广, 将面临极其复杂的电磁环境, 信 号源密集、 复杂、 多变, 因此通信信号的分离不可避 免, 波束形成技术在形成主波束的同时能形成超低 旁瓣 , 能够对目标信号进行提取, 同时对干扰信号进 行抑制, 因此非常适用于电子侦察卫星发展的需要。 当前 , 对于窄带波束形成器的设计 , 已有很多较 为成熟的方法。然而在很多情况下 , 要求基阵能够 不失真地接收宽带信号, 因此要求波束形成器的波 束图具有与频率无关的特性。然而窄带波束形成只 使用一组固定的权系数, 这使得不同频率下的基阵 波束图不同, 若宽带信号位于波束主极大方向以外 , 则宽带信号的不同频率成分获得的增益将不同 , 这 将造成信号波形的畸变, 且信号的带宽越大, 畸变越 严重 , 所以必须研究宽带波束形成技术 , 使基阵可以 在很宽的频率范围内保持基本一致的波束图。
宽带恒定束宽数字波束形成及实现的开题报告
宽带恒定束宽数字波束形成及实现的开题报告一、研究背景数字波束形成（DBF）是一种基于数字信号处理（DSP）的直接数字化信号，参照天线阵列（AA）表面的相位和幅度信息，计算出相位和幅度所需的数字信号，将其传送到各个订货单臂膀，最终形成所需的波束。
该技术可以应用于雷达、通信、遥感等领域，能够实现高精度的目标探测和信号传输。
宽带恒定束形成技术是在数字波束形成的基础上发展而来，通过优化波束形成算法和实现硬件性能，实现带宽范围内的恒定束形成，进一步提高信号传输和目标探测的精度。
二、研究目的本课题旨在研究宽带恒定束形成技术，探究数字波束形成算法优化和硬件实现方案，实现带宽范围内的恒定束形成，提高信号传输和目标探测的精度。
三、研究内容1. 数字波束形成算法研究针对数字波束形成中存在的问题，结合实际应用需求，研究优化数字波束形成算法，提高波束形成的精度和稳定性。
2. 宽带恒定束形成算法研究在数字波束形成基础上，考虑传输带宽的影响，研究宽带恒定束形成算法，实现在带宽范围内的恒定束形成，进一步提高信号传输和目标探测的精度。
3. 硬件实现方案设计基于研究结果，设计数字波束形成和宽带恒定束形成的硬件实现方案，包括天线阵列、数字信号处理器（DSP）等。
四、研究意义宽带恒定束形成技术可以应用于多个领域，如通信、雷达、遥感等，能够提高信号传输和目标探测的精度。
该研究对于推动各个领域的高精度数据应用和技术发展具有重要意义。
五、研究方法本课题采用文献研究法、数学建模法、实验研究法等多种研究方法，通过对数字波束形成算法的优化和宽带恒定束形成算法的研究，结合硬件实现方案的设计和实验验证，验证该技术的有效性和应用价值。
六、研究进度安排1. 前期调研和文献研究（已完成）2. 数字波束形成算法研究和优化（计划完成时间：1-3个月）3. 宽带恒定束形成算法研究（计划完成时间：4-6个月）4. 硬件实现方案设计和实验验证（计划完成时间：7-10个月）7. 预期成果1. 数字波束形成和宽带恒定束形成算法优化结果和相关研究论文发表。
一种实用的共形阵波束形成方法
一种实用的共形阵波束形成方法摘要随着数字阵列技术发展，用数字技术实现共形雷达已成发展趋势。
常规的数字波束形成技术只能针对均匀平面阵处理。
利用常规的数字波束合成算法对共形阵列进行处理，其方向图会出现恶化。
文中针对共形阵列的特点，提出一种针对共形阵的数字波束形成算法，根据每个阵元的几何位置分别进行相位补偿。
通过对圆弧形阵面的仿真，证明了该算法比常规波束形成算法可以获得更好的波束。
【关键词】共形阵列处理数字波束形成相控阵雷达1 引言阵列信号处理在雷达中具有广泛重要的应用。
数字波束形成技术是阵列雷达中重要组成部分。
窄带数字波束形成的研究已经有很长时间，很多技术在工程中也几经实现。
但对于飞机、导弹、卫星等飞行器，其为了隐身和空气动力学需求，要求天线阵面与载体形状一致，即利用相控阵实现共形阵列处理。
目前共形阵的分析与综合典型方法有矩量法、有限元法以及时域有限差分技术等。
但这些算法都有计算量大、运算复杂的缺点，不适合于工程应用。
利用常规的相控阵波束形成方法实现共形阵，会由于阵元间相位补偿不彻底导致方向图恶化。
本文从工程实践出发，对常规数字波束形成进行改进，设计了一种新的方法实现共形阵列波束形成。
有效的克服了其他算法运算量大和方向图恶化的缺点，具有很高的工程实用价值。
2 常规数字波束形成理论常规的阵列系统数字波束形成流程如图1所示。
该阵为一个N单元的线阵相控阵。
其中每个天线之间间距为d，回波方向为。
则每个阵元接收到的信号相差的距离为，各个阵元上接收到的信号表示为：（1）为从回波信号，窄带情况下，（2）其中为载频。
对于一般窄带信号的数字阵列处理中，对接收到的每一路信号有个加权，以补偿各个阵元之间的相位差。
即（3）其中W为导向矢量，其值为：（4）其中为波束扫描的方向。
将式（1），式（2）和式（4）带入式（3）得到：（5）化简得到，（6）当N较大时，取绝对值，对上式进行近似，可得到天线方向图为：（7）从式（7）可以看出，线阵的方向图函数为辛格函数，其波束指向为，改变便可以实现不同方向的波束扫描。
宽带阵列接收信号波束形成算法综述
宽带阵列接收信号波束形成算法综述作者：王梦南王壮程翥来源：《现代电子技术》2013年第21期摘要：宽带波束形成技术用于处理阵列天线接收到的宽带信号，形成期望波束，增强目标信号，抑制干扰信号。
从信号处理的角度综述了宽带波束形成的几类主要方法，包括时域方法、频率分解方法及频率不变方法等，仿真比较了各类方法中的典型算法，分析得到波束形成系统对不同条件下接收信号阵增益的影响。
关键词：宽带接收信号；阵列信号处理；波束形成；阵增益中图分类号： TN971⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）21⁃0056⁃060 引言波束形成技术作为阵列信号处理的重要组成部分，用于控制阵列各阵元形成不同形状的波束。
接收信号波束形成是根据干扰与信号的不同来向，对阵列采集到的数据进行线性组合处理，得到一个标量波束输出，使波束对准信号方向，零陷对着干扰方向，有效地增强目标信号，抑制干扰信号。
波束形成技术最早兴起于声学领域，二战时期的声纳是典型应用。
随着相控阵、合成孔径等阵列雷达的发展，波束形成技术扩展到雷达和电子侦察领域，但处理声波的延迟叠加方式由于器件采样精度的限制无法适用于更高的雷达信号频段；于是处理阵列接收数据时通过控制各阵元相位偏移[1]，使合成后的波束集中指向设定方向；针对移相波束形成中波束指向固定，在无先验信号方向信息时无法准确接收信号的问题，通过利用信号自身的统计特性计算控制权值[2⁃4]，得到指向信号的波束形成；若信号来波方向不断变化，则需在利用信号统计特性的基础上，根据某种迭代准则[5⁃7]，自适应的调整波束指向来波方向，即自适应波束形成。
后来，为满足目标识别和精确定位的需要，雷达往往采用宽带信号，而由于阵列天线孔径效应[8]的影响，传统的窄带波束形成技术不再适用于处理宽带信号，于是兴起了宽带波束形成技术的研究：早期的做法是将接收信号通过DFT变换到频域，划分为若干子带，每个子带满足窄带条件，然后对每个子带采用窄带波束形成得到波束输出[9⁃20] ，这种频率分解方法在明确信号频带的前提下有着好的性能，但是波束主瓣宽度内非主轴指向的信号会有能量损失，且信号带宽越大偏离主轴越远，损失越明显，导致波形失真；为了在整个波束主瓣宽度内能不失真地接收信号，国内外学者研究出了频率不变（在国内也称为恒定束宽）的宽带波束形成技术[21⁃28]；与此同时，工业水平提高使信号处理机有了更高的采样精度，可在时域上直接对宽带信号进行波束形成[29⁃32]，与频域方法的分块处理不同，这是一种实时处理方式，精确的时延控制是制约时域方法的瓶颈。
宽带数字阵列波束形成算法及应用研究
总之，频域宽带波束形成算法是一种非常重要的信号处理技术，在通信领域 中有着广泛的应用前景。随着技术的不断发展和进步，相信该算法在未来将会实 现更多的应用，为通信技术的发展做出更大的贡献。
在声呐信号处理中，波束形成是一种关键技术，用于增强信号强度并降低噪 声干扰。然而，由于环境噪声和信号波动等因素的影响，传统的波束形成方法往 往面临着鲁棒性不足的问题。本次演示将深入研究声呐波束形成鲁棒性，并探讨 相关的算法研究。
阵列数字波束形成技术是一种通过对阵列天线接收到的信号进行处理，实现 波束指向和波束形状控制的技术。其基本原理是利用阵列天线接收信号的相位和 幅度差异，通过特定的算法计算出合成的波束方向图，实现波束的定向辐射和接 收。
阵列数字波束形成技术相较于传统波束形成技术具有更高的灵活性和自由度。 首先，阵列数字波束形成技术可以实现对波束的精确控制，包括波束指向、波束 形状以及波束扫描等。其次，阵列数字波束形成技术可以实现对多目标的同时检 测和跟踪，提高系统的多任务处理能力。此外，阵列数字波束形成技术还具有较 低的副瓣电平、较高的信号增益以及较低的交叉极化等优点。
一、声呐波束形成鲁棒性
声呐波束形成鲁棒性是指波束形成系统在面临各种环境干扰和信号波动时， 依然能够保持稳定和可靠的性能。在实际应用中，提高波束形成鲁棒性对于提高 整个声呐系统的性能具有重要意义。然而，现有的方法主要依赖于硬件设备的性 能提升，对于复杂多变的环境噪声和信号波动，其鲁棒性仍需进一步提高。
随着科技的不断进步，宽带数字阵列波束形成算法将在未来发挥更加重要的 作用。
参考内容
随着科技的不断发展，阵列数字波束形成技术逐渐成为无线通信、雷达、声 呐等领域的研究热点。本次演示将介绍阵列数字波束形成技术的原理、实现方法 以及在多个应用场景中的优势和特点，并通过具体案例分析该技术在现实应用中 的成功经验和教训。
阵列波束形成算法及其硬件实现方法研究
阵列波束形成算法及其硬件实现方法研究
随着无线通信技术的快速发展，阵列波束形成成为了无线通信领域中的研究热点之一。
阵列波束形成技术可以通过控制阵列中的天线元件，实现对发射或接收信号的增强，从而提高通信系统的性能。
本文将探讨阵列波束形成算法及其硬件实现方法的研究。
阵列波束形成算法主要分为传统算法和自适应算法两种。
传统算法包括波束形成向量加权法、最大信干噪比法和最小均方误差法等。
波束形成向量加权法通过对每个天线的信号进行加权处理，使得目标信号得到增强，而干扰信号得到抑制。
最大信干噪比法则通过调整阵列权向量的参数，使得目标信号的信干噪比最大化。
最小均方误差法则通过计算目标信号与期望信号之间的均方误差，从而实现波束形成。
自适应算法是相对于传统算法而言的一种新型算法，其主要思想是根据信号的统计特性进行自适应调整，以达到最佳波束形成效果。
自适应算法包括最小均方误差算法、逆协方差矩阵算法和LMS算法等。
阵列波束形成的硬件实现方法主要包括模拟实现和数字实现两种。
模拟实现是基于模拟电路的方式，通过模拟电路的设计和布局，实现对天线信号的加权和处理。
数字实现则是基于数字信号处理器（DSP）或者通用可编程逻辑器件（FPGA）等硬件平台，
通过数学算法和数字信号处理技术，实现对天线信号的加权和处理。
数字实现相比于模拟实现具有更高的可靠性和灵活性，可以快速调整算法参数，适应不同的通信环境和要求。
总之，阵列波束形成算法及其硬件实现方法的研究对于提高无线通信系统的性能具有重要意义。
随着无线通信技术的不断发展，阵列波束形成技术将会得到更加广泛的应用，为人们的通信生活带来更好的体验。
宽带阵列接收信号波束形成算法综述
宽带阵列接收信号波束形成算法综述现代电子技术Modern Electronics Technique2013年11月1日第36卷第21期Nov.2013Vol.36No.210引言波束形成技术作为阵列信号处理的重要组成部分，用于控制阵列各阵元形成不同形状的波束。
接收信号波束形成是根据干扰与信号的不同来向，对阵列采集到的数据进行线性组合处理，得到一个标量波束输出，使波束对准信号方向，零陷对着干扰方向，有效地增强目标信号，抑制干扰信号。
波束形成技术最早兴起于声学领域，二战时期的声纳是典型应用。
随着相控阵、合成孔径等阵列雷达的发展，波束形成技术扩展到雷达和电子侦察领域，但处理声波的延迟叠加方式由于器件采样精度的限制无法适用于更高的雷达信号频段；于是处理阵列接收数据时通过控制各阵元相位偏移[1]，使合成后的波束集中指向设定方向；针对移相波束形成中波束指向固定，在无先验信号方向信息时无法准确接收信号的问题，通过利用信号自身的统计特性计算控制权值[2?4]，得到指向信号的波束形成；若信号来波方向不断变化，则需在利用信号统计特性的基础上，根据某种迭代准则[5?7]，自适应的调整波束指向来波方向，即自适应波束形成。
后来，为满足目标识别和精确定位的需要，雷达往往采用宽带信号，而由于阵列天线孔径效应[8]的影响，传统的窄带波束形成技术不再适用于处理宽带信号，于是兴起了宽带波束形成技术的研究：早期的做法是将接收信号通过DFT 变换到频域，划分为若干子带，每个子带满足窄带条件，然后对每个子带采用窄带波束形成得到波束输出[9?20]，这种频率分解方法在明确信号频带的前提下有着好的性能，但是波束主瓣宽度内非主轴指向的信号会有能量损失，且信号带宽越大偏离主轴越远，损失越明显，导致波形失真；为了在整个波束主瓣宽度内能不失真地接收信号，国内外学者研究出了频率不变（在国内也称为恒定束宽）的宽带波束形成技术[21?28]；与此同时，工业水平提高使信号处理机有了更高的采样精度，可在时域上直接对宽带信号进行波束形成[29?32]，与频域方法的分块处理不同，这是一种实时处理方式，精确的时延控制是制约时域方法的瓶颈。
一种改进的宽带MVDR波束形成
１引言 最小方差响应不变波束形成器（ＭＶＤＲ）是在保持对某个方向来波响应不变的情况下使
波束形成器输出平均功率最小。利用ＦＦＴ，声纳线列阵获得的宽带信号被分解为多个子带信号。 对每个子带，采用ＭＶＤＲ形成多波束。最后，对每个子带输出的多波束功率求和，再进行目 标检测和方位估计。本文将数据共扼重排及增广数据矩阵奇异值分解的方法应用于ＭＶＤＲ。
２改进的｝，ＢｒＤＲ波束形成方法 ２．１宽带时域波束形成
常用的一类波束形成器是延时～相加波束形成器，不同阵元输出信号采取延时后相加的 处理方式。在单目标的情况下，当波束形成器对准目标时波束输出的平均功率最大。延时～ 相加波束形成器的主要缺点是没有对干扰采取预先措施。 ２．２ ＭＶＤＲ波束形成
ＭＶＤＲ波束形成的基本思想是选取一组权向量，在信号方向的增益保持不变的情况下， 在非信号到达方向使波束输出功率最小，以抑制干扰。对于宽带信号而言，先将宽带信号分 解成Ｎ个子带，每个子带的带宽都很小，可以近似看成一个窄带信号，再对分离出来的子带 信号进行波束形成，然后再把每个子带的波束输出相加得到宽带波束形成输出。
波束形成器的最佳权向量和最小输出功率。
３计算机仿真实例及结论 计算机仿真实验内容是采用１６阵元均匀线列阵进行目标检测，线列阵基元间距为０．７５ｍ，
信号采样频率为８ＫＨｚ，假设５５度和７５度处有目标，背景噪声为宽带白噪声信号以及基于 ＡＲ模型的舰船辐射噪声信号，图１比较普通波束形成与ＭＶＤＲ波束形成，可见改进的ＭＶＤＲ 能够达到很高的分辨力。
为零，且有ＪＪ＝ｌ。在：Ｉ：程实际应角中，通常是用有限次快拍得到的数据对Ｒｘ进行估值的，此
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共形阵列宽带波束形成设计与实现贾振国;吴海洲【摘要】针对大规模共形阵列波束形成问题,提出一种宽带信号数字波束形成方法,介绍了该方法的具体实现过程,该波束形成流程主要包括子阵内和子阵间波束形成2部分.由地平坐标系中目标位置推导出子阵视线坐标系目标来波方向后,对宽带数字波束形成方法进行理论推导:子阵内通过幅相加权、子阵间进行时延补偿和相位加权.通过软件仿真和原理样机试验,充分验证了该方法正确、可行.【期刊名称】《无线电工程》【年(卷),期】2017(047)009【总页数】4页(P73-76)【关键词】共形阵列;宽带信号;数字波束形成;幅相加权;时延补偿【作者】贾振国;吴海洲【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081;中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄 050081【正文语种】中文【中图分类】TN821+.8共形阵列天线具有宽角度扫描、可实现全空域覆盖[1]等优点，在现代通信系统中获得广泛应用[2]。
波束形成技术作为相控阵系统的关键技术[3]，其形成方法及算法的设计尤为重要。
宽带大角度范围扫描共形阵列的波束形成[4]，若按传统窄带信号波束形成方式实现[5]，带宽内频率偏差会导致波束形成指向的偏差，而信号瞬时带宽要受天线孔径渡越时间的限制[6]。
国内外已对宽带信号波束形成进行了大量的研究工作[7]，主要集中在时延实现方法[8]及低副瓣算法[9]。
信号时延补偿既可在时域实现[10]，也可在频域实现[11]。
由于频率线性相位加权方法受到FFT点数的影响，时延精度受到很大限制，因此在时域采用数字延迟线和分数时延滤波器相结合的方法得到了更广泛的应用[12]。
本文采用移相加时延补偿的方式实现宽带数字波束形成，对其实现过程及所需相位、时延补偿量给出完整理论推导过程，并通过软件仿真及样机试验对理论进行验证。
对于规模较大的共形阵列天线，将整个阵列划分为若干个子阵，小规模子阵受信号带宽和孔径渡越时间影响较小，可采用相位加权来补偿波程差，而子阵间需进行时延补偿。
由于时延补偿占用硬件资源较大，相比于整个阵列使用时延补偿，可以减少硬件资源消耗。
采用子阵内相位加权、子阵间时延补偿进行宽带信号数字波束形成的流程如图1所示。
天线接收信号经过下变频、AD采样转化为数字信号，在数字域进行相位加权和时延补偿来抵消子阵内天线之间及子阵与子阵之间的波程差。
某大规模共形阵列由若干子阵组成，建立地平坐标系如图2所示，目标来波方向为方位φ、俯仰θ，O′为任一子阵的几何中心。
假设子阵中心O′与坐标原点O连线的方位角为A，子阵相对于水平面倾角为E，由地平坐标系O-xyz到子阵视线坐标系O′-x′y′z′的转换关系[13]为(不考虑坐标原点的位移)：将极坐标与直角坐标的转换关系代入式(1)可得：因此，目标来波方向在子阵视线坐标系为：式中，φ′和θ′分别表示目标来波方向在子阵视线坐标系中的方位角和俯仰角。
2.1 子阵内波束合成子阵内的天线位置及其视线坐标系定义如图3所示，该子阵为等间距排列的8×8方阵，已知单元间距，易得任一天线位置坐标。
假设t时刻坐标原点O′处接收到的信号为s(t)ej2πf0t，f0为信号s(t)的载波频率，fL为下变频的本振频率，则下变频后信号为s(t)ej2πf0te-j2πfLt=s(t)ej2π(f0-fL)t；若某单元位置为(xm,ym)，则该位置相对于原点的波程差为：接收到的信号为：下变频后为：xm(t)=s(t+τm)ej2πf0(t+τm)e-j2πfLt= s(t+τm)ej2π(f0-fL)tej2πf0τm。
所有通道进行相位补偿，加权值为wm=e-j2πf0τm，补偿后信号变为：可见，移相补偿后信号没有完全对齐，但由于子阵较小，孔径度越时间对其影响很小，可只做移相补偿后进行信号的叠加。
子阵内波束合成后，相心在O′处。
2.2 子阵间波束合成假设地平坐标系中任意2个子阵的相心分别位于和O2′。
若进行子阵间的波束合成，所有子阵需要进行时延补偿。
以坐标原点O为参考，若O点收到的信号为s(t)ej2πf0t，则下变频后为s(t)ej2π(f0-fL)t，假设子阵中心坐标为(x1,y1,z1)，则O与在来波方向的波程差为：因此，收到信号为：下变频后处信号为：若直接进行时延补偿，延时τ1，则信号变为：显然，由于各子阵的时延不同，处信号经过下变频和时延补偿后为s(t)ej2πf0te-j2πfL(t-τ2)，由于τ1≠τ2，信号无法直接叠加。
为使各子阵接收到的信号可以叠加，时延补偿前，需对式(10)做移相，相位加权值为e-j2πfLτ1，式(10)变为：s(t+τ1)ej2πf0(t+τ1)e-j2πfLte-j2πfLτ1= s(t+τ1)ej2π(f0-fL)(t+τ1)。
对式(12)进行时延补偿：同理，点处信号经过移相为：再经过时延补偿为：可见，式(13)和式(15)信号形式完全相同，可以进行信号的叠加合成。
若下变频后信号为零中频，即f0=fL，则信号(t)和(t)的移相值为e-j2πf0τ1和e-j2πf0τ2，为以上推导过程的特例。
为了验证上述波束形成过程，在某原理样机上进行了试验验证，该样机为由若干子阵组成的共形阵列天线。
在硬件实现过程中，子阵内相位加权通过复乘实现，子阵间时延补偿通过数字延迟线和分数延时滤波器实现，时延补偿采用基于对称结构的分数时延滤波器[14]，所有数字处理过程在FPGA[15]中实现[16-17]。
首先对波束指向方位-6.9°、俯仰13.6°(标校塔方向)的阵列天线波束形成方向图进行软件仿真，仿真归一化结果如图4所示，其中图4(a)为方位面方向图，图4(b)为俯仰面方向图。
阵列实测方向图如图5和图6所示。
在样机试验中，共形阵列在标校塔的方向形成接收波束，接收标校塔上信标发射的信号。
然后接收波束在方位面和俯仰面进行扫描，利用频谱仪记录测试结果，图5为方位面方向图，图6为俯仰面方向图。
对比图4、图5和图6可知，样机测试与仿真结果基本一致，测试结果和仿真结果的主旁瓣比、主栅瓣比差异很小(差异来源于天线及组件的一致性、电磁波的地面反射、建筑物的折射等)。
综上所述，通过软件仿真和样机试验充分验证了该宽带信号数字波束形成方法正确可行。
本文以共形阵列天线的宽带信号数字波束形成过程为研究目标，以子阵内相位加权、子阵间时延补偿为研究思路，通过理论分析表明子阵间进行信号叠加时，不仅仅需要做时延补偿，同时也需要子阵间的相位补偿。
需要注意的是，与子阵内相位加权值和接收信号载波频率有关不同，子阵间的相位补偿值与下变频本振频率有关。
最后通过软件仿真及样机试验验证该实现方法，其过程对平面阵和共形阵的宽带信号数字波束形成过程均适用，因此，对大型阵列的宽带波束形成具有理论指导意义。
贾振国男，(1985—)，硕士，工程师。
主要研究方向：航天测控、阵列信号处理。
吴海洲男，(1977—)，博士，高级工程师。
主要研究方向：航天测控、阵列信号处理。
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