自适应天线-第一章分解
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自 适 应 天 线
第一章：绪论 第二章：自适应阵的反馈概念 第三章：自适应阵的性能与限制
第四章：自适应天线的应用
1
第一章
绪论
一切无线系统,包括无线电通信、广播、导航等工程系统 都是通过无线电波的发射、接收来进行工作的； 无线电波的发射与接收离不开天线,天线是无线电波的入 口与出口； 天线设计直接影响着无线系统的整体性能； 天线分类： 单个天线; 天线阵。
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。
5
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。
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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
答案就是自适应天线(阵)
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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。
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图1.1 锁相环阵列
【1】龚耀寰，《自适应滤波》，电子工业出版社，2003. 【2】G.V. Tsoulos，《Adaptive Antennas for Wireless Communications》 ，IEEE Press, 2001. 【3】IEEE Transactions on Antennas and Propagation 相关 文章。
三、自适应天线（阵）的特点
与常规天线阵相比较的相同点：自适应阵与常规天线阵一样都 是单个天线单元在空间的中的排列，都需要通过控制各阵元的幅 度或相位激励来控制天线阵的性能。 自适应天线(阵）可采用任意的阵元方向图、极化和间距工作； 对于自适应天线(阵)，传统的天线性能指标用处不太大，如天 线增益、旁瓣电平、波束宽度等。 传统的天线常常需要低旁瓣以使得从主瓣之外的进入的辐射最 小, 而自适应天线只需要在干扰方向产生零点;自适应阵的方向图 在某些方向可能有很高的旁瓣，但那些方向没有干扰信号。 自适应天线更关心的是系统性能，如SINR最大、均方误差最 小等。 13
四、学习的目的、方法及其要求
• • • • • 掌握自适应天线的基本概念、作用； 掌握自适应天线的理论基础、典型形式与最佳
算法；
掌握自适应天线的基本性能与限制； 了解自适应天线的研究进展、各应用领域的应 用特点； 学习自适应天线需要更多的信号与系统的知识，
这一点体现出了学科之间的交叉性。
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Байду номын сангаас
五、主要参考书
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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。
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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.Applebaum, 最大化SNR (Technical Report, Aug. 1966);
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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？
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;
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;
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各种性能指标的选取：取决于具体应用。 数字通信系统：误码率最小； 雷达系统：在给定的虚警概率下发现信号的概率最大； 实际应用中，上述理想的性能指标很难直接在阵列输出端用 于性能估计。 常用以下两种更为实用的优化准则: 最小均方误差准则 (即阵列实际输出与理想输出之差的均方 值最小)； 输出端SINR最大准则； 根据这两种方法可以得到阵列方向图的反馈控制的有用形式, 而且有以下规律: SINR增大，误码率降低； 12 SINR增大，雷达检测概率增加。
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例子：二元阵
设有如右图所示的二元阵用来接收信号。 其中入射平面波从θ方向入射，阵元间距为 d=λ/2，w1和w2为加权因子。 我们该如何求解此二元阵的方向图函数并 且分析w1和w2对该阵列零点的控制作用呢? 解答: 设
第一章：绪论 第二章：自适应阵的反馈概念 第三章：自适应阵的性能与限制
第四章：自适应天线的应用
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第一章
绪论
一切无线系统,包括无线电通信、广播、导航等工程系统 都是通过无线电波的发射、接收来进行工作的； 无线电波的发射与接收离不开天线,天线是无线电波的入 口与出口； 天线设计直接影响着无线系统的整体性能； 天线分类： 单个天线; 天线阵。
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。
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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。
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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
答案就是自适应天线(阵)
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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。
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图1.1 锁相环阵列
【1】龚耀寰，《自适应滤波》，电子工业出版社，2003. 【2】G.V. Tsoulos，《Adaptive Antennas for Wireless Communications》 ，IEEE Press, 2001. 【3】IEEE Transactions on Antennas and Propagation 相关 文章。
三、自适应天线（阵）的特点
与常规天线阵相比较的相同点：自适应阵与常规天线阵一样都 是单个天线单元在空间的中的排列，都需要通过控制各阵元的幅 度或相位激励来控制天线阵的性能。 自适应天线(阵）可采用任意的阵元方向图、极化和间距工作； 对于自适应天线(阵)，传统的天线性能指标用处不太大，如天 线增益、旁瓣电平、波束宽度等。 传统的天线常常需要低旁瓣以使得从主瓣之外的进入的辐射最 小, 而自适应天线只需要在干扰方向产生零点;自适应阵的方向图 在某些方向可能有很高的旁瓣，但那些方向没有干扰信号。 自适应天线更关心的是系统性能，如SINR最大、均方误差最 小等。 13
四、学习的目的、方法及其要求
• • • • • 掌握自适应天线的基本概念、作用； 掌握自适应天线的理论基础、典型形式与最佳
算法；
掌握自适应天线的基本性能与限制； 了解自适应天线的研究进展、各应用领域的应 用特点； 学习自适应天线需要更多的信号与系统的知识，
这一点体现出了学科之间的交叉性。
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Байду номын сангаас
五、主要参考书
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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。
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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.Applebaum, 最大化SNR (Technical Report, Aug. 1966);
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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？
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;
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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;
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各种性能指标的选取：取决于具体应用。 数字通信系统：误码率最小； 雷达系统：在给定的虚警概率下发现信号的概率最大； 实际应用中，上述理想的性能指标很难直接在阵列输出端用 于性能估计。 常用以下两种更为实用的优化准则: 最小均方误差准则 (即阵列实际输出与理想输出之差的均方 值最小)； 输出端SINR最大准则； 根据这两种方法可以得到阵列方向图的反馈控制的有用形式, 而且有以下规律: SINR增大，误码率降低； 12 SINR增大，雷达检测概率增加。
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例子：二元阵
设有如右图所示的二元阵用来接收信号。 其中入射平面波从θ方向入射，阵元间距为 d=λ/2，w1和w2为加权因子。 我们该如何求解此二元阵的方向图函数并 且分析w1和w2对该阵列零点的控制作用呢? 解答: 设