阵列天线结构对自适应波束形成的影响

曹亚丽　周扬

摘 要：自适应阵列的结构决定了自适应波束性能的特点。当阵元位置发生变化时，自适应阵列天线的性能也随之发生很大的变化。因此研究阵列天线结构、分析阵元位置对自适应波束的形成有着重要的意义。本文对不同阵元数目的自适应阵列天线的波束形成，进行了研究。在此基础上比较了均匀线性阵列、非均匀线性阵列和均匀圆阵的测向性能。通过对均匀线性阵列、非均匀线性阵列和均匀圆阵的自适应波束形成的研究，可以让我们在遇到实际情况时，避害趋利，选择合适的阵列分布。

关键词：自适应波束形成；均匀线性阵列；非均匀线性阵列；均匀圆阵

一、引言

自适应阵列天线能够根据信号的来波方向，自适应地调整天线阵列方向图，具有减少干扰、增加系统容量、降低发射功率等优点。不同的阵列结构对自适应阵列天线的性能影响很大。本文就均匀线性阵列、非均匀线性阵列和均匀圆阵的自适应波束形成的进行分析，通过优化阵元的分布，进一步提高天线的测向性能。

二、自适应阵列天线模型

阵列天线分为四种类型：①阵元排成直线型的线阵；②排成环型的圆阵；③面阵；④立体阵。阵元排列在一条直线上，称作线阵。线阵因构成结构简单，工程中易于实现，而在实际的系统中应用广泛。图1给出了线阵的结构示意图。如果将阵列布局成圆形。则称圆阵，均匀圆阵的各个阵元均匀分布在圆周上，即各阵元之间的距离相等。

三、自适应阵列天线的时变方向图的仿真与分析

在这里我们使用LMS算法进行分析天线阵列的自适应波束形成。

首先假設仿真模型如下：信号为来自30度方向的确定的正弦波，干扰为来自150度方向的随机的4PSK信号。在天线的接收端（波束形成器之前），信号与干扰的功率都为1。背景噪声是均值为0、功率为0.09的高斯白噪声，阵元间距d=λ/2，自适应步长μ=0.01，初始权值为W=[1，0，0，0]T。我们以6阵元为例，对6元均匀线阵、6元非均匀线阵和6元均匀圆阵的时变方向图进行仿真（迭代300次），仿真结果分别如下：

根据6元均匀线阵、6元非均匀线阵和6元均匀圆阵的时变方向图可见，均匀圆阵在迭代稳定后所形成的主瓣远不如均匀线阵的主瓣窄且尖，即均匀圆阵的角分辨能力不如均匀线阵的强。

四、自适应阵列天线的SINR性能的仿真与分析

根据6元线阵和6元均匀圆阵的SINR性能曲线图，可见当信号从30°方向射来，而干扰恰好从150°方向射来时，该线性结构对信号和干扰具有相同的增益，于是此干扰便无法被抑制掉，信干比大约为1，接收效果极差。而在均匀圆阵的方向图中，系统只在信号方向（30°）上形成了主瓣，在150°方向上虽然没有形成零点，当干扰从这里入射时，可以受到充分地抑制。由于均匀圆阵具有这个优点，使整个系统就可以保持比较高的信干比。它们的收敛速度基本是一样的，这也说明了此时在阵元数目和自适应增益步长都相同的情况下，几何布局的不同对系统的收敛性影响不大。

五、结论

本文主要讨论了不同的阵列结构对自适应波束形成的影响，可以看出均匀阵列的自适应波束有着良好的性能，但由于各种因素的干扰，均匀天线阵列往往容易出现各种阵列误差，导致阵列天线无法准确测量信号的来波角度。在此基础上我们以最小冗余阵列为例，讨论了非均匀线阵和均匀园阵的优缺点。通过对各种天线阵列结构的比较，可以根据实际情况，选择合适的自适应天线阵列。

参考文献：

[1]沈福民.自适应信号处理.西安：西安电子科技大学出版社，2001：96-213.

[2]桑怀胜，李峥嵘.自适应波束形成算法的研究进展与应用.国防科技大学学报，2001，23 （6）： 83-90.

[3]Adrian O. Boukalov， Sven-Gustav Haggman. System aspects of smart antennas technology in cellular wireless communications-an overview. IEEE. Trans. Microwa-ve Theory and Techniques， 2000，48：919-929.

[4]李绍滨，赵淑清，宿富林.非均匀天线阵的超分辨测向.哈尔滨工业大学学报，2001，33（6）：834-837.

[5]杨林，杨萃元，于波.“自适应阵列方向图综合算法研究”.应用科技， 2005， 32（7）.

（作者单位：东北大学秦皇岛分校 计算机与通信工程学院）