阵列天线波束赋形技术研究与应用.docx
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阵列天线波束赋形技术研究与应用
阵列天线波束赋形技术研究与应用
⑧
论文作者签名：
指导教师签名：
皇直江本
论文评阅人１：
评阅人２：
评阅人３：
评阅人４：
评阅人５：
答辩委员会主席：
委员ｌ：
委员２：
委员３：
委员４：
委员５：
答辩日期：
２０１４年３月９日
浙江大学研究生学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位敝作者签名：
惕扶％签字日期：
沙、ｆ年＿；月∽
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权浙江大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文作者签名：
伤双巧｝导师签名：
重甫姐；寿
签字日期：
签字日期：
训ｌｆ年弓月Ｉ３日）移ｆ今年弓月ｌ驴日
致谢
时光飞逝，又到了毕业季。
在浙江大学本科四年以及研究生两年半的求学生涯中，我不仅学到了专业知识，还领悟到了很多做人的道理。
浙大“求是，创新”的校训一直陪伴我的成长，在我毕业之后，“求是，创新”也将一直作为我为人处事的准则。
两年半的硕士研究生生活即将结束，回首过往，自己在学习、生活上都得到了很大的提升，这离不开来自家人、老师、同学及朋友的帮助。
在此，衷心感谢那些帮助过我的人。
首先感谢我的导师皇甫江涛老师和冉立新老师对我学业上的帮助，感谢他们为我指点未来的科研之路，帮助我选择毕业之后出国深造的高等学府。
两位老师严谨的治学态度以及对学生认真负责的态度给我留下了深刻印象，对我以后的工作和学＞－－ｊ产生了很大影响。
当然，还要特别感谢实验室管理员张斌老师，在他的协助之下下我完成了课题相关的电路以及天线实物加工制作，保证了后续工作的顺利开展。
感谢实验室的师兄师姐以及师弟师妹的关心和帮助。
衷心感谢叶德信、王志宇、李栋、潘竞楠、王静雨、申建华、申发中、吕波、许丽丽、潘文森、牟文秋和郑晓程这几位已经毕业的师兄师姐，感谢他们为我的研究工作打下良好的基础，祝愿他们在各自的工作与生活中一切顺利。
同时，也感谢Ｙａｎｎｉｃｋ、赵钟伟、徐魁文、李欢、宋庆庆、杨婧茹、孟庆阳、徐金金、王嵘、赵家奇等同学，感谢你们陪伴我度过了愉快的研究生生活。
祝愿仍在电磁波应用研究实验室的同学们能在今后收获更多知识。
最后感谢我的家人，是他们对我的支持和鼓励使我顺利地完成学业，祝愿他们身体健康、幸福快乐。
彭政谕
于浙江大学玉泉２０１４年１月
摘要
阵列天线的研究与应用，一直是天线领域的热点。
阵列天线具备了许多单天线无法实现的功能。
例如阵列天线可以通过灵活地布阵、控制阵列天线每个单元的相位与幅度关系，实现对天线波束方向的扫描，或者抑制特定方向上的干扰信号，或实现特殊形状的波束等。
在无线通信领域，阵列天线正得到越来越广泛的应用。
本论文介绍了一种新型的阵列天线波束赋形方法，即通过调整天线方向图的零点来实现波束赋形，该方法有别于传统的控制阵列天线主瓣的波束赋形技术。
本论文首先研究了阵列天线方向图中的零点对阵列天线整体方向图形状的影响。
本文从阵列天线的基本公式出发，研究了控制阵列天线零点实现天线波束赋形技术的物理意义。
以阵列天线波束展宽应用为例，在实际应用中，我们需要根据信号的变化快速地实现阵列天线波束赋形，本论文提出了一种由功率倒置调零算法演变得到的新型全向波束赋形方法，该算法可以快速扩展阵列天线的波束覆盖范围，同时将零点指向特定的无信号传输的方向。
本文通过仿真，验证了该算法应用在不同阵列天线上的效果，证明该波束赋形方法在不同的阵列天线中，都能快速有效地扩展波束宽度。
本论文比较了阵列天线波束赋形技术中采用的不同的系统架构，提出了一种新型的波束赋形系统架构，该新型系统架构大大简化了传统阵列天线复杂的电路结构。
文章详细阐述了该新型系统架构的基本设计原理，结合实际应用需要，详细阐述硬件电路各个模块的设计思路，最终完成整个电路的设计、制作以及调试。
最后，本论文使用新型的波束赋形系统架构验证了上述阵列天线波束控制方法。
实验测试结果证明了上述阵列天线波束控制算法能够快速有效地提高阵列天线的波束覆盖范围。
关键词：
波束赋形，阵列天线，调零，功率倒置ＩＩＩ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａａｒｅａｌｗａｙｓｔｈｅｈｏｔｔｏｐｉｃｓｏｆｔｈｅａｒｅａｏｆａｎｔｅｎｎａ．Ａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｈａｓａｌｏｔｏｆｃａｐａｂｉｌｉｔｉｅｓｂｅｙｏｎｄｏｎｅｓｉｎｇｌｅａｎｔｅｎｎａ．Ｂｅａｍｓｔｅｅｒｉｎｇ，ａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｃａｎｂｅｅａｓｉｌｙｒｅａｌｉｚｅｄｂｙａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｓｔｈｒｏｕｇｈｄｉｖｅｒｓｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔｓｏｆｅｌｅ—ｍｅｎｔｓ，ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｐｈａｓｅ／ａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｎｔｅｎｎａｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｏｗｎｉｎｇｔｏｔｈｅｓｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ．
ＴｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｏｆｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇｉｓｔｕｎｉｎｇＩｎｔｈｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄ
ｐａｔｔｅｒｎ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｗｅａｏｒｔｒｉｍｍｉｎｇｔｈｅｍａｉｎｌｏｂｅｏｆｔｈｅｐａｔｔｅｒｎ．ｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｏｆｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ，ｗｈｉｃｈａｄｊｕｓｔｓｔｈｅｎｕＨｓｏｆｔｈｅｏｆｎｕｎｓ．ＴｈｅａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｔｈｅｐａｔｔｅｒｎａｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｔｈｅａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙｏｆｔｈｉｓｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｈａｄｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂａｓｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｏｆａｒｒａｙａｎｔｅｎｎａ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｉｎｏｒｄｅｒｔＯｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｆａｓｔｃｏｎｔｒｏｌｏｆｎｕｌｌｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒａｃｔｉｓｅ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｈａｎｇｅｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｓｉｎｎｏｖｅｌｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｄｅｒｉｖｅｄｆｒｏｍｐｏｗｅｒ－ｉｎｖｅｒｓｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ．
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目次
致｛射……………………………………………………………………………………………………………………………Ｉ摘要……………………………………………………………………………………．．……………………………………．ＩＩＩＡｂｓｔｒａｃｔ…………………。
………………………………………．…………………………………………………………．Ｖ目次
１绪论………………………………………………………………………………………………………………………１．１
１．２
１．３１１２课题研究背景及意义…………………………………………………………………．国内外现状分析………………………………………………………………………．本课题主要研究内容及创新点………………………………………………………．４
５
７
７
８
９
９
９１．４论文的章节安排………………………………………………………………………．２阵列天线零点控制波束赋形研究………………………………………………………一２．１阵列天线的基本原理…………………………………………………………………．２．１．１２．１．２相控阵技术…………………………………………………………………一数字波束赋形技术…………………………………………………………一２．２阵列天线零点的控制…………………………………………………………………．２．２．１
２．２．２
２．３波瓣控制与调零……………………………………………………………．．阵列天线零点控制原理……………………………………………………一１０本章小结……………………………………………………………………………………．．１５３阵列天线波束展宽研究…………………………………………………………………．．１７３．１传统波束展宽方法……………………………………………………………………．１７３．２控制零点的波束展宽方法……………………………………………………………．１８３．３改进的功率倒置算法实现波束快速展宽……………………………………………．２１
３．３．１
３．３．２
３．３．３
３．３．４功率倒置算法………………………………………………………………一２１改进的功率倒置算法………………………………………………………．．２４算法仿真……………………………………………………………………一２７算法鲁棒性分析……………………………………………………………一３０３．４本章小结………………………………………………………………………………．．３１ＶＴＴ
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４波束赋形系统架构研究…………………………………………………………………一３３
４．１波束赋形系统架构基本原理…………………………………………………………．３３
４．１．１模拟波束赋形系统…………………………………………………………一３３
４．１．２数字波束赋形系统…………………………………………………………．．３４
４．２新型波束赋形系统架构………………………………………………………………．３４
４．２．１系统框架……………………………………………………………………．．３５
４．２．２电路设计……………………………………………………………………．．３７
４．３本章小结………………………………………………………………………………．４３５基于新型波束赋形系统架构的波束展宽系统…………………………………………．４５
５．１阵列天线单元设计……………………………………………………………………．４５５．２天线系统测试…………………………………………………………………………．４８５．３本章小结…………………………………………………………………………………５０６结束语………………………………………………………………………………………５１参考文献………………………………………………………………………………………．５３发表文章目录…………………………………………………………………………………．５７ＶＩⅡ
１绪论
１．１课题研究背景及意义
阵列天线是指一类由不少于两个天线单元规则或随机排列，并通过特定的激励，即特定幅度与相位的激励信号激励，获得特殊的辐射特性的天线１１；２１。
阵列天线的辐射特性由阵列天线的天线单元、天线单元的排列、以及激励信号的相位与幅度关系确定。
由于阵列天线能够快速灵活地实现可重构的波束、扫描波束等，所以高性能的阵列天线被广泛地应用于军事、遥感、通信、卫星定位等多个领域。
阵列天线的研究与应用，一直是天线领域的热点。
科研人员已经开发出多种不同的波束赋形算法来控制阵列天线的波束，使其能够应用于多种不同的应用场合。
不过，现有的各种波束赋形算法主要是通过调整阵列天线的主瓣或者旁瓣来实现不同的增益、波束宽度和旁瓣抑制，以及通过调整阵列天线零点的方向来消除特定方向上的干扰信号，即所谓的“调零天线”。
对于由多个辐射单元组成的阵列天线，采用现有的方法难以实现较大的波束覆盖范围，其原因是通常情况下，相对于阵列天线工作频率的波长来说，其有效口径较大。
然而，在一些特定的应用场合，如卫星导航系统中，接收机需要接收不同仰角的卫星信号进行处理，然后得到自身的位置信息，接收机能接收到的卫星数目越多，定位越精确。
尤其是在低仰角的卫星，对于精确定位有重要的影响。
卫星导航的这个特性，决定了卫星导航接收机的天线的方向图需尽可能多地覆盖不同的角度，即保持全向覆盖。
传统的阵列天线会压缩天线的波束宽度，无法实现全向性方向图，所以一般的卫星导航接收机常采用－单天线。
采用单个天线的接收机存在许多弊端，首先，单个全向性天线的增益较低，影响整个接收机的性能；其次，单个天线很容易被干扰，因为卫星导航信号频率固定，卫星信号经过大气衰减后极其微弱，复杂的电磁环境或者任意较强的同频率信号都会对接收机造成致命影响。
所以，如何使用自适应阵列天线技术，实现全向覆盖的方向图，是一个非常有现实意义的研究课题。
阵列天线波束赋形系统架构的发展主要经历了两个阶段，最早的波束赋形系统采用模拟的移相器来控制各个天线单元的相位关系实现阵列天线的波束扫描，例如早期的相控阵
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雷达。
由于采用模拟移向器，阵列天线波束赋形的灵活性有限，无法实现较为复杂的波束形状。
近年来，数字波束赋形技术随着高速ＡＤＣ技术的成熟而得到广泛的应用。
以接收机为例，数字波束赋形技术将天线的模拟信号转换成数字信号，通过数字域的各种算法，实现各种波束。
数字波束赋形技术具有极高的灵活性。
然而，由于ＡＤＣ技术的限制，目前无法将很高频率的射频信号直接采样成数字信号，必须首先通过模拟的下变频电路将射频信号下变频到ＡＤＣ可以采样的频率。
另外，要保证接收信号的带宽，ＡＤＣ仍然需要工作在较高的采样频率上，经ＡＤＣ转化后的信号还需要高速的数字电路进行处理。
所以，在实际应用中，对于如何精简系统架构、降低系统成本、提高系统稳定性的研究，具有重要的意义。
１．２国内外现状分析
根据波瓣图乘法原理，即非各项同性而相似的点源阵的场波瓣图是其个别源波瓣图与该阵列中具有相同的位置、相对幅度和相位的各向同性点源阵波瓣图的乘积【１１。
阵列天线总场Ｅ可以写成【１；２】
Ｅ＝ｆ（Ｏ，≯）Ｆ（伊，≯）么（厶（移，咖）＋Ｆｐ（秽，≯））（１．１）
其ｅｅｆ（ｏ，≯）是个别源的场波瓣图，ｈ（ｏ，咖）是个别源的相位波瓣图，Ｆ（Ｏ，咖）是各向同性源阵的场波瓣图，Ｂ（口，≯）是各向同性源阵的相位波瓣图。
通过控制阵列天线各个单元的信号权值，即天线单元信号的幅度与相位关系，可以调整Ｆ（Ｏ，矽）和Ｂ（口，≯），实现所需要的方向图。
所谓波束赋形技术，即采用特定的算法计算阵列天线各个单元的信号权值，以实现特定的阵列天线方向图，满足应用需求。
文献［３】概括总结了多种波束赋形算法，其中包括最小方差波束赋形算法【４１、基于Ｗｏｒｓｔ．Ｃａｓｅ性能优化的波束赋形算法１５；ｏｌ、Ｃａｐｏｎ波束赋形算法【７１、最小二乘法波束赋形算法【８】等，并研究了这些算法的稳定性。
文献［９］和文献【１０］研究了采用波束赋形算法实现旁瓣抑制的方法。
在阵列天线抗干扰系统中，如卫星定位系统，由于卫星信号经过大气的衰减后十分微弱，而通常情况下，干扰信号强度远高于有用信号，因此，基于最小化输出功率的功率倒置算法可以有效抑制强干扰信号，提高输出信噪比。
文献【１ｌ】中提出了以最小化输出功率为原则的功率倒置算法，在文献［１２；１３】中将这种功率倒置算法应用于阵列天线，从而提高了卫星定位接收机的信噪比。
在卫星导航过程中，接收机需要接收不同仰角的卫星信号进行处理，然后得到自身的位置信息，接收机能接收到的卫星数目越多，定位越精确０４１。
尤其是在低仰角的卫星，对２
１绪论
于精确定位有重要的影响。
另外对于相控阵雷达来说，有时会要求将波束展宽以提高波束扫描速度。
然而阵列天线自身特性决定了对其主瓣展宽是一个非常困难的工作，国内外对于阵列天线波束展宽的工作主要集中在对相控阵天线的波束展宽研究，关注点集中在优化阵列相位分布，改变主瓣形状。
文献【１５］提出了将一个阵列天线分成两个子阵列，两个子阵列主瓣指向不同的方向，最终合成为一个主瓣时，可以扩展主瓣的宽度，需要注意的是，这里两个子阵列的阵元不是完全分离的，而是相互交叠排列，保证两个子阵的相位中心基本处于同一点。
文献［１６；１７］在大型相控阵列天线中，通过恶化主瓣的平坦度，即在主瓣上加入小于３ｄＢ的波纹，从而增加主瓣的宽度。
另外，也有采用减少辐射单元数目的方法来增加主瓣宽度【１８】。
由于这些波束展宽方式需要优化各个阵元的相位值，因此如何快速解得所需波束宽度的各个阵元相位关系也是一个研究热点，国内外研究人员将多种快速优化算法应用到了相位关系求解中，文献［１９］中采用粒子群算法和遗传算法求相位关系，得到所需要的波束展宽效果。
文献［２０］采用一种新型的基于排序的主动变异性退火．遗传算法（ＡＭＡＧＡ）求解相位关系。
上述几种基于相控阵的波束展宽研究，主要关注于阵列天线主瓣的特性，对于天线的旁瓣的零点特性完全没有关注；而且，这些波束展宽方法对波束展宽的效果不显著，只能将原有的波束展宽较小的角度，如果要得到很宽的主瓣，则需要非常多的阵元数目。
此外，计算相位关系所采用的优化算法需要较多的计算量，难以实现实时控制。
阵列天线的波束赋形系统架构主要可分为两种，一种是早期的采用模拟的移相器来控制各个天线单元的相位关系实现阵列天线的波束扫描，其原理如图１．１ａ所示；另一种是采用高速ＡＤＣ实现的数字波束赋形技术，其原理如图１．１ｂ所示。
其中，早期的相控阵由于只控制阵列天线单元的相位关系，无法控制幅度关系，所以用它来实现波束赋形具有一定的限制。
而数字波束赋形技术，虽然灵活性大大提高，依然存在以下几个问题；首先，由于ＡＤＣ技术的限制，现有的ＡＤＣ无法直接采样射频信号，如图１．１ｂ中的射频前端必须包括下变频结构，这样就增加了整个系统的复杂度；其次，根据采样定理，ＡＤＣ的采样频率必须要大于中频信号频率的两倍１２１１，而在实际工程应用的，采样频率一般要高于中频的三倍，其中，中频信号不能太低，因为中频过低的话信号中会引入较大的１／．，噪声【２２１。
另外，由于数字波束赋形技术中，我们需要采集较为精确的幅度信息与相位信息，所以，对ＡＤＣ的采样精度要求也较高。
综合上述因素，对于数字波束赋形技术来说，首先其射频前端跟为复杂，其次，对于其中的关键模块ＡＤＣ，需要高精度、高采样频率。
高精度、高采样频率的ＡＤＣ成本较高，而且对ＡＤＣ采样后的数字电路要求也更高。
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射频前端
移相器
（ａ）
ｆ石奋“企…‘△一一一一ｌ一一一一一ｌＩ…Ｔ………’。
Ｉ—Ｉ…Ｉ
数字域
图１．１（ａ）相控阵系统架构，（ｂ）数字波束赋形系统架构。
１．３本课题主要研究内容及创新点
本课题的主要关注阵列天线赋形技术的研究。
本课题首先研究了阵列天线方向图中零点的性质及其对阵列方向图的影响，本文从阵列天线的基本公式出发，研究了控制阵列天线零点实现天线波束赋形技术的物理意义。
本课题提出了一种新型的阵列天线波束赋形方法，该方法通过调整天线方向图的零点来实现波束赋形，有别于传统的控制阵列天线主瓣的波束赋形技术。
在实际应用中，我们需要根据信号的变化快速地实现阵列天线波束赋形，本论文提出了一种改进的功率倒置调零算法，我们在算法中加入虚拟的强干扰信号和高斯白噪声信号，使阵列天线在特定的方向产生一个零点，同时在其他方向产生一个近似全向的方向图。
该算法可以快速扩展阵列天线的波束覆盖范围，同时将阵列天线的零点指向特定的无信号传输的方向。
为了验证上述天线波束赋形技术，我们首先通过计算与仿真来模拟上述的波束赋形技４
１绪论
术。
与此同时，我们还设计了一种新型的波束赋形系统架构，该新型系统架构大大简化了传统阵列天线复杂的电路结构。
实验测试结果证明了上述阵列天线波束控制算法能够快速有效地提高阵列天线的波束覆盖范围。
本课题的创新点在于：
１．本课题提出了一种调整零点实现阵列天线波束赋形的方法。
２．本课题采用天线调零技术实现了波束展宽，这种新的方法通过调节零点的特性来展宽波束，可以实现阵列天线波束准全向性覆盖。
而传统的波束展宽方式只关注天线的主瓣特性，通过复杂的迭代优化算法得到结果，而且只能小幅度地展宽波束。
３．本课题比较了阵列天线波束赋形技术中采用的不同的系统架构，研究了现有系统架构的优缺点，设计了一种新型的有源阵列天线系统，该系统采用矢量乘法器实现调幅与移相功能，大大简化了传统阵列天线复杂的电路结构，并且可以在射频端直接实现调零以及波束成型。
１．４论文的章节安排
第一章首先介绍了阵列天线波束赋形技术研究的背景和意义，在此基础上提出了本文的主要研究内容及创新点。
第二章主要介绍了阵列天线波束赋形技术的基本原理，阐述了控制零点实现阵列天线波束赋形技术的物理意义。
第三章主要介绍了采用零点控制技术实现阵列天线波束展宽的原理，并引入改进的功率倒置算法实现波束快速展宽。
第四章主要对比了现有的波束赋形技术系统架构，并在此基础上提出了一种新型的系统架构，并详细阐述该新型系统架构的设计原理与方法。
第五章阐述了采用新型波束赋形系统架构验证上述阵列波束展宽方法。
第六章为全文总结。
２阵列天线零点控制波束赋形研究
阵列天线是指一类由不少于两个天线单元规则或随机排列，并通过特定的激励，即特定幅度与相位的激励信号激励，获得特殊的辐射特性的天线【１誓１。
阵列天线的辐射特性由阵列天线的天线单元、天线单元的排列、以及激励信号的相位与幅度关系确定。
由于阵列天线能够快速灵活地实现可重构的波束、扫描波束等，所以高性能的阵列天线被广泛地应用于军事、遥感、通信、卫星定位等多个领域。
２．１阵列天线的基本原理
根据波
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