陣列天線結構對自適應波束形成的影響

曹亞麗　周揚

摘 要：自適應陣列的結構決定了自適應波束性能的特點。當陣元位置發生變化時，自適應陣列天線的性能也隨之發生很大的變化。因此研究陣列天線結構、分析陣元位置對自適應波束的形成有著重要的意義。本文對不同陣元數目的自適應陣列天線的波束形成，進行了研究。在此基礎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波束形成的研究，可以讓我們在遇到實際情況時，避害趨利，選擇合適的陣列分布。

關鍵詞：自適應波束形成；均勻線性陣列；非均勻線性陣列；均勻圓陣

一、引言

自適應陣列天線能夠根據信號的來波方向，自適應地調整天線陣列方向圖，具有減少干擾、增加系統容量、降低發射功率等優點。不同的陣列結構對自適應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波束形成的進行分析，通過優化陣元的分布，進一步提高天線的測向性能。

二、自適應陣列天線模型

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。線陣因構成結構簡單，工程中易于實現，而在實際的系統中應用廣泛。圖1給出了線陣的結構示意圖。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算法進行分析天線陣列的自適應波束形成。

首先假設仿真模型如下：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，自適應步長μ=0.01，初始權值為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行仿真（迭代300次），仿真結果分別如下：

根據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，均勻圓陣在迭代穩定后所形成的主瓣遠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。

四、自適應陣列天線的SINR性能的仿真與分析

根據6元線陣和6元均勻圓陣的SINR性能曲線圖，可見當信號從30°方向射來，而干擾恰好從150°方向射來時，該線性結構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，當干擾從這里入射時，可以受到充分地抑制。由于均勻圓陣具有這個優點，使整個系統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目和自適應增益步長都相同的情況下，幾何布局的不同對系統的收斂性影響不大。

五、結論

本文主要討論了不同的陣列結構對自適應波束形成的影響，可以看出均勻陣列的自適應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各種陣列誤差，導致陣列天線無法準確測量信號的來波角度。在此基礎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缺點。通過對各種天線陣列結構的比較，可以根據實際情況，選擇合適的自適應天線陣列。

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（作者單位：東北大學秦皇島分校 計算機與通信工程學院）