短波圆环自适应抗干扰研究

汪松年 尹立 闫耀峰

（91290部队北京102100）

短波圆环自适应抗干扰研究

汪松年 尹立 闫耀峰

（91290部队北京102100）

自适应天线阵列将阵列天线和自适应信号处理技术相结合，具有在空域有效抑制强干扰的能力。论文从阵型、阵列参数的分析出发，采用电磁计算软件FEKO对圆环阵列建模仿真，并利用遗传算法在考虑SIR（信号与干扰功率比）和不考虑SIR的情况下分别对各阵元的相位值进行优化以达到抗干扰的目的，结果表明，考虑SIR的优化使圆环阵列的抗干扰能力更强，更符合实际工程的需要。

短波；圆环阵列；自适应

Class NumberTN82

1 引言

目前短波频段电磁环境恶劣，各种用频设备和工业干扰对通信造成很大影响，加上短波通信由于自身频带窄，依靠电离层传播等特点，其易受天气噪声，人为噪声的影响［1］。如何快速、有效地抑制各种干扰，提高天线的接收效果，已成为短波天线系统设计的一个重要目标。自适应天线阵将阵列天线技术与自适应信号处理技术相结合，利用相控阵天线波束可控的优点，通过将方向图零陷对准干扰来实现空间滤波，从而达到有效抑制非来波方向的干扰，是短波抗干扰通信的发展趋势［2］。

圆阵列有着更加优越的性能，它能提供俯仰角的估计；可以实现全向扫描，能通过循环移动阵列激励，简单灵活的操纵波束方位，因此，均匀圆阵列有着广泛的应用前景［3］。在阵列天线中，圆环阵列天线与线阵相比，具有对称性好，全方位扫描能力强的优点，适合于用作短波自适应抗干扰天线阵。

为了有效地提高短波圆环阵列天线抗干扰效果，本文结合FEKO和Matlab软件并应用遗传算法，对在5MHZ-20MHZ的频率下通过改变各阵元的相位值实现对SIR的优化，进而得到圆环阵列水平方向的方向图。从而证明在短波频段，充分考虑SIR情况下，圆环阵列拥有很好的抗干扰能力，能够较好地满足工程应用的需求。

2 阵型选择

阵列天线的布阵形式主要有直线阵，平面阵，圆环阵等形式。直线阵是由分布在一条直线的N个阵元构成，其具有主瓣能量集中，副瓣电平较小，方向性系数较好等特点，但其天线间存在较大的互耦，很难做到360°全方位的扫描，当干扰方向为不固定的情况下不易做到自适应地调整零陷方向［4］。平面阵时由分布在一个水平面的N个阵元不规则的组成，其具有方向性强，旁瓣低，波束赋形易形成等特点，但其数据量较大，天线单元较多，占地面积较大。圆环阵是由分布在一个圆周上的N个阵元组成，其具有圆周旋转对称性，可以全方位的操作其零点和波束，在任意角度实现零陷。在空域滤波技术中，圆环阵列形成的零点数由阵元数量控制，最多形成N-1个零陷，但是圆环阵列的主瓣和旁瓣的差别不是太大。与线阵和平面阵相比，圆环阵列可以自适应的调整零陷角度，实现水平面全方位的扫描，而且天线间的互耦影响较小，其体型小，成本低，机动能力较好，并且可以通关算法来弥补主瓣和旁瓣差别较小的问题。所以在抗干扰问题上，圆环阵列有着线阵和平面阵不可比拟的优势。本文选用圆环阵列进行仿真。

3 圆环阵列参数的选取

3.1 阵元间距的影响

本文选用的频段为短波的中间频段5MHZ～20MHZ，其波长为300m-15m，阵元数为8，当阵元间距小于0.25个波长时，形成的波束副瓣过大，当阵元间距为1个波长时，产生的副瓣过多。综合考虑短波3MHZ-30MHZ频段及占地面积等原因，本文选用半径为10m的圆环阵列［5］。

3.2 阵元数的影响

在空间滤波技术中，自适应天线阵列的阵元数量越多，方向图形成的零陷越多，一般N元阵列最多可以产生N-1个零陷，但是阵元数越多，阵元之间的互耦影响越大，接收外部影响的噪声越多，成本越高［6］。阵元数过少，所形成的方向图的主瓣宽度过窄。综合本文研究的目的、抗干扰的源数量以及硬件的复杂度本文选择8元圆环阵列。天线模型如图1所示。

4 波束优化准则

自适应阵列是通过自适应算法来确定其优良性的，有四种常用的准则来确定自适应权值。它们是：1）最小均方误差（MSE）准则；2）最大信号干扰噪声比（SINR）准则；3）最大似然比（LH）准则；4）最小噪声方差（NV）准则。本文波束优化采用的是最大信号噪声比准则（SINR）［7］，由于本文主要考虑的是干扰的影响，因此对于外部噪声考虑为理想外部环境。阵列接受的数据为［8］

其中xs(t)为t时刻信号部分，xi(t)为t时刻干扰部分。波束形成后阵列的输出为

其中WH为自适应阵列加权向量。波束形成后信号功率为

其中Rs=E{xs(t) xsH(t)}。干扰功率为

其中Ri=E{xi(t) xiH(t)}。所以信号和干扰的功率比为

使上式信干比最大输出的权值向量wopt为矩阵对() Rs，Ri的最广义特征值所对应的特征向量。

5 圆环阵列性能分析

设有N个各向同性辐射元沿着半径为a的圆周排列而构成了圆环阵如图2。圆环阵位于xy平面上。把每个单元对远区场点的贡献叠加起来就可以求得圆环阵的远场方向图函数：

其中In是位于φ=φn处的第n单元的激励电流，αn是相应的激励相位（以阵中心为参考点）。N为阵元数。只要给定a、N、In、φn、θ0、φ0，便可利用以上三个式子计算单圆环阵列的场强方向图。

上述描述中给出了在理想情况下的圆环阵列的场强分布公式，而实际应用中更需要的是在考虑圆环阵列的定向收益程度即天线的增益系数（Gain）。下面将讨论阵列方向图增益的计算公式。

式中θ0为方向图对应的角度，F() θ0为归一化场强方向函数。W为自适应权向量。这里假设各阵元均为各向同性阵元，且取水平面3点钟方向的第一个阵元为参考阵元。一般对式（6）取模的平方并进行归一化，然后去对数，即在θ0方向的归一化方向图的增益为［9］

信干抑制比的定义为在输入和干扰同等幅度的情况下，通过空间滤波对干扰的抑制［10］，其公式为

根据式（6）可以得到信干抑制比的公式为

6 仿真结果分析

为了更好的分析圆环阵列的水平方向方向图，本文采用了商用软件FEKO分别对来波方向30°、干扰方向90°以及来波方向30°、干扰方向45°在5MHZ～20MHZ频段上进行方向图仿真。仿真中设定的阵元为10m鞭天线，阵元数为8，半径为10m的圆环阵列。各阵元的幅度均为1。

6.130 °90°方向图对比

分别计算了圆环列阵在8MHZ、12MHZ、16MHZ、20MHZ频率点上，只考虑SIR的大小和不考虑SIR的大小，只要求干扰方向实现方向图零陷及来波方向最大增益两种情况的水平面方向图对比，并列出具体的参数值，如图3，表1。注：30°为来波方向，90°为干扰方向。

由图3、表1可见，仅仅考虑方向图的零陷和来波是否落到主瓣上虽然避开了干扰信号，但是所得到的增益系数远远达不到实际工程的要求。而在只优化SIR的值所得到的方向图不仅在干扰方向也实现了零陷，而且输入信号的增益远远大于干扰信号的增益，很好的抑制了干扰信号，抗干扰的能力更强，更符合实际工程的需要。

表1 方向图特征值

6.230 °45°方向图

90°和30°的方向角相差较大还不足以证明圆环列阵在短波频段具有很好的抗干扰能力，本节计算了圆环列阵在5MHZ、10MHZ、14MHZ、18MHZ频率点上，对SIR进行优化形成的方向图，并列出具体的参数值，如图4，表2。注：30°为来波方向，45°为干扰方向。

由图4、表2可见，在30°、45°方向角相差较小时圆环阵列也可以达到很好的抑制干扰的效果。

表2 方向图特征值

7 结语

通过以上两种情况下仿真的对比，可以看出通过对圆环自适应列阵接收天线在短波各频率的信干抑制比的优化，可以很好地实现方向图在干扰方向形成零陷，并且增益系数的值满足实际工程的需要，从而验证圆环自适应阵列天线在短波频段存在单干扰源的情况下能过实现很好的抗干扰效果。但这种情况仅仅是在单干扰源的情况下，如果存在多干扰源，圆环自适应阵列天线的方向图该如何优化，将成为下一步研究的重点。

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［2］罗小武，刘勤让.窄波束全向接收的自适应天线阵研究［J］.电波科学学报，2003，2：18-23.

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［4］马满仓，韩颖，李红刚.短波通信发展趋势［J］.计算机与网络，2010，5：131-136.

［5］唐金元，于潞，王波.自动天线调谐器的调谐算法和调谐流程［J］.仪表技术，2012，8：26-31.

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［7］鲍健慧.自适应阵列天线互耦校准方法的研究［D］.西安：西安电子科技大学，2015，58-63.

［8］蔡翔林.应用于任意阵列结构的自适应二维DOA估计研究［D］.成都：电子科技大学，2016，67-72.

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Shortwave Circular Adaptive Anti-Interference Study

WANG SongnianYIN LiYAN Yaofeng
（No.91290 Troops of PLA，Beijing102100）

Adaptive antenna array combines array antenna and adaptive signal processing technology together，and has the capacity of effectively restraining strong interference in airspace.The paper starts from the analysis on formation and array parameters，adopts the electromagnetic calculation software FEKO to make Circular array modeling and simulation，and optimizes the phase values of various array elements via genetic algorithm in the circumstances of taking SIR（signal to interference plus power ratio）and of not taking SIR into consideration separately to achieve the purpose of anti-interference，and the result shows that the optimization taking SIR into consideration results in more powerful anti-interference capacity of circular array，and conforms to the needs of practical engineering more.

shortwave，circular adaptive，anti-interference

TN82

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.012

2016年12月13日，

2017年1月29日

汪松年，男，助理工程师，研究方向：短波接收机、电子信息战略研究。尹立，男，硕士研究生，助理工程师，

研究方向：短波自适应天线、国家安全战略。闫耀峰，男，工程师，研究方向：网络化建设、有线通信。