智能天線關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用.pdf

1、近年來，隨著無線通訊事業(yè)的飛速發(fā)展，用戶開始追求更快的數(shù)據(jù)傳輸、更好的通話質(zhì)量以及更多種類的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在時域、頻域和碼域資源被充分挖掘后，人們將目光轉(zhuǎn)向了一個新的領(lǐng)域：空域資源。與此同時，無線通信系統(tǒng)的抗干擾問題也伴隨著無線通訊事業(yè)的發(fā)展日益突出。而智能天線技術(shù)正是利用空域來減少干擾效應(yīng)提高系統(tǒng)通信性能的一種技術(shù)，由于它能夠提高系統(tǒng)信道容量、提高通信質(zhì)量、擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍以及消除多徑效應(yīng)的影響，因此受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。本論文在分

2、析總結(jié)國內(nèi)外智能天線技術(shù)研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，對智能天線的基本概念和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做出了闡述，針對智能天線系統(tǒng)在共形天線中的應(yīng)用，以減少系統(tǒng)成本為準(zhǔn)則，研究了非圓信號來波方向(Direction Of Arrival，DOA)估計、波束形成以及方向圖綜合等核心技術(shù)，并通過本論文的研究成果設(shè)計了兩種不同用途的智能共形天線系統(tǒng)。
　　 論文首先對智能天線陣列的信號模型進(jìn)行了研究，在常規(guī)陣列流形特點分析的基礎(chǔ)上討論了共形陣列流形的局限性，通過實際

3、陣列的仿真分析引出原有共形陣列流形的缺陷，提出在陣列流形中引入陣元參考極化方向提高陣列流形的有效性，進(jìn)一步針對圓極化陣列，利用極化與相位的關(guān)系得到了更為簡潔的陣列流形?；枵撐乃⒌墓残侮嚵辛餍?，分析了對稱分布共形陣列極化相消的產(chǎn)生原因，提出通過陣元旋轉(zhuǎn)和相位補(bǔ)償?shù)姆绞教岣哧嚵械目臻g覆蓋能力，為智能天線的應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。
　　 DOA估計技術(shù)是智能天線系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，只有在準(zhǔn)確估計信號來波方向的基礎(chǔ)上才能夠根據(jù)需要進(jìn)

4、行有效的波束形成或方向圖綜合。針對通信系統(tǒng)常用的信號形式，本論文在經(jīng)典DOA算法研究的基礎(chǔ)上將非圓信號特征引入DOA估計中，從而在不增加陣元數(shù)目的前提下大幅提高系統(tǒng)的DOA估計性能。論文對表征非圓信號特性的非圓率進(jìn)行了研究，擴(kuò)展了原非圓MUSIC算法的適用范圍，同時對DOA估計算法中由于非圓率擾動造成的誤籌進(jìn)行了分析，推導(dǎo)了誤差公式。仿真結(jié)果驗證了擴(kuò)展的非圓MUSIC算法的正確性，并且表明隨著非圓率的增加，DOA估計算法性能有明顯的改善

5、。此外，論文對具有特殊非圓率的信號特性以及接收信號協(xié)方差矩陣性質(zhì)進(jìn)行了研究，推導(dǎo)了信號的簡潔形式，從而為非圓DOA估計算法的簡化打下了基礎(chǔ)。為了使論文的研究更具參考價值，論文討論了陣列參數(shù)對DOA估計算法性能的影響，并將DOA算法應(yīng)用于柱面共形微帶天線陣，通過將陣元的陣中方向圖代入DOA估計算法中使得DOA估計結(jié)果更具有效性。
　　 本文將智能天線技術(shù)應(yīng)用到GPS系統(tǒng)中以達(dá)到抗干擾的目的。針對衛(wèi)星信號的特點，提出了一種新的波束形

6、成算法-Noise RLS算法，利用白噪聲代替RLS算法中的參考信號，克服了RLS算法需要參考信號的缺點，在不犧牲陣列自由度的同時獲得更高的信干比。對予時變系統(tǒng)中，論文提出了針對循環(huán)平穩(wěn)信號的變遺忘因子算法，該算法不需要參考信號，有較強(qiáng)的跟蹤能力和較小的均方誤差，而且即使在信噪比較小的條件下仍能保持很好的性能。為了抑制寬帶和移動干擾信號，論文通過在LCMV算法基礎(chǔ)上加載導(dǎo)數(shù)約束和強(qiáng)制約束來實現(xiàn)波束展寬，仿真結(jié)果表明新算法可以將干擾方向的

7、零陷明顯展寬。多波束工作是智能天線最主要的工作方式之一，論文將智能數(shù)字多波束技術(shù)應(yīng)用在共形天線陣中，通過建立多波束天線陣模型，在數(shù)字多波束形成算法中引入陣元陣中方向圖來實現(xiàn)共形天線陣中的智能多波束控制，仿真結(jié)果表明本文提出的算法能夠針對不同要求實現(xiàn)波束和零陷指向，從而實現(xiàn)對有用信號的接收和干擾信號的抑制。
　　 方向圖綜合是智能天線技術(shù)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，對于共形天線陣經(jīng)典綜合技術(shù)已無法勝任，論文通過仿生算法實現(xiàn)共形智能天線陣列的

8、激勵設(shè)計。通過將競爭機(jī)制引入差分進(jìn)化算法，在變異操作時加入種群中的次優(yōu)個體，利用其競爭作用提高算法的收斂速度。論文利用新算法完成了典型測試函數(shù)的優(yōu)化尋值，驗證了本文提出的競爭差分進(jìn)化算法的有效性，同時也體現(xiàn)出了相對于傳統(tǒng)差分進(jìn)化算法的優(yōu)越性。運用競爭差分進(jìn)化算法算法實現(xiàn)了共形天線陣的低副瓣、寬零陷以及多波束綜合，仿真結(jié)果表明新算法具有更快的收斂速度。
　　 基予對智能天線關(guān)鍵技術(shù)的研究，論文設(shè)計了智能多波束柱面共形天線以及智能主