陣列天線結(jié)構(gòu)對自適應(yīng)波束形成的影響

曹亞麗　周揚(yáng)

摘 要：自適應(yīng)陣列的結(jié)構(gòu)決定了自適應(yīng)波束性能的特點(diǎn)。當(dāng)陣元位置發(fā)生變化時，自適應(yīng)陣列天線的性能也隨之發(fā)生很大的變化。因此研究陣列天線結(jié)構(gòu)、分析陣元位置對自適應(yīng)波束的形成有著重要的意義。本文對不同陣元數(shù)目的自適應(yīng)陣列天線的波束形成，進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上比較了均勻線性陣列、非均勻線性陣列和均勻圓陣的測向性能。通過對均勻線性陣列、非均勻線性陣列和均勻圓陣的自適應(yīng)波束形成的研究，可以讓我們在遇到實(shí)際情況時，避害趨利，選擇合適的陣列分布。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)波束形成；均勻線性陣列；非均勻線性陣列；均勻圓陣

一、引言

自適應(yīng)陣列天線能夠根據(jù)信號的來波方向，自適應(yīng)地調(diào)整天線陣列方向圖，具有減少干擾、增加系統(tǒng)容量、降低發(fā)射功率等優(yōu)點(diǎn)。不同的陣列結(jié)構(gòu)對自適應(yīng)陣列天線的性能影響很大。本文就均勻線性陣列、非均勻線性陣列和均勻圓陣的自適應(yīng)波束形成的進(jìn)行分析，通過優(yōu)化陣元的分布，進(jìn)一步提高天線的測向性能。

二、自適應(yīng)陣列天線模型

陣列天線分為四種類型：①陣元排成直線型的線陣；②排成環(huán)型的圓陣；③面陣；④立體陣。陣元排列在一條直線上，稱作線陣。線陣因構(gòu)成結(jié)構(gòu)簡單，工程中易于實(shí)現(xiàn)，而在實(shí)際的系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。圖1給出了線陣的結(jié)構(gòu)示意圖。如果將陣列布局成圓形。則稱圓陣，均勻圓陣的各個陣元均勻分布在圓周上，即各陣元之間的距離相等。

三、自適應(yīng)陣列天線的時變方向圖的仿真與分析

在這里我們使用LMS算法進(jìn)行分析天線陣列的自適應(yīng)波束形成。

首先假設(shè)仿真模型如下：信號為來自30度方向的確定的正弦波，干擾為來自150度方向的隨機(jī)的4PSK信號。在天線的接收端（波束形成器之前），信號與干擾的功率都為1。背景噪聲是均值為0、功率為0.09的高斯白噪聲，陣元間距d=λ/2，自適應(yīng)步長μ=0.01，初始權(quán)值為W=[1，0，0，0]T。我們以6陣元為例，對6元均勻線陣、6元非均勻線陣和6元均勻圓陣的時變方向圖進(jìn)行仿真（迭代300次），仿真結(jié)果分別如下：

根據(jù)6元均勻線陣、6元非均勻線陣和6元均勻圓陣的時變方向圖可見，均勻圓陣在迭代穩(wěn)定后所形成的主瓣遠(yuǎn)不如均勻線陣的主瓣窄且尖，即均勻圓陣的角分辨能力不如均勻線陣的強(qiáng)。

四、自適應(yīng)陣列天線的SINR性能的仿真與分析

根據(jù)6元線陣和6元均勻圓陣的SINR性能曲線圖，可見當(dāng)信號從30°方向射來，而干擾恰好從150°方向射來時，該線性結(jié)構(gòu)對信號和干擾具有相同的增益，于是此干擾便無法被抑制掉，信干比大約為1，接收效果極差。而在均勻圓陣的方向圖中，系統(tǒng)只在信號方向（30°）上形成了主瓣，在150°方向上雖然沒有形成零點(diǎn)，當(dāng)干擾從這里入射時，可以受到充分地抑制。由于均勻圓陣具有這個優(yōu)點(diǎn)，使整個系統(tǒng)就可以保持比較高的信干比。它們的收斂速度基本是一樣的，這也說明了此時在陣元數(shù)目和自適應(yīng)增益步長都相同的情況下，幾何布局的不同對系統(tǒng)的收斂性影響不大。

五、結(jié)論

本文主要討論了不同的陣列結(jié)構(gòu)對自適應(yīng)波束形成的影響，可以看出均勻陣列的自適應(yīng)波束有著良好的性能，但由于各種因素的干擾，均勻天線陣列往往容易出現(xiàn)各種陣列誤差，導(dǎo)致陣列天線無法準(zhǔn)確測量信號的來波角度。在此基礎(chǔ)上我們以最小冗余陣列為例，討論了非均勻線陣和均勻園陣的優(yōu)缺點(diǎn)。通過對各種天線陣列結(jié)構(gòu)的比較，可以根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的自適應(yīng)天線陣列。

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（作者單位：東北大學(xué)秦皇島分校 計算機(jī)與通信工程學(xué)院）