均匀直线阵的波束形成

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1、信息技术INFORMATION I E CHNO LOG Y均匀直线阵的波束形成林华芳，徐明远（1昆明理工大学.昆明6 5 0 0 9 3； 2昆明理工大学信息工程与自动化学院.昆明6 5 0 0 5 1 ）摘 要:简述了单个信号和多个信号进入等距直（天）线阵列时波束形成的方法，分别用来ft 不同方向的4个信号和5个借号进入七个阵元的阵列进行试骏。得出了仿真结果。关键词：等距直（天）线阵：波束形成：仿真屮图分类号：TN 9 1 43 文献标识码：A 文章编号:1 009 2552 （2003） 05 0022 03Beamforming o f u m r m 1 i n e a r arra

2、yU N H u a o fang ,XU Mingo yuanKey words： ULAuniform 1 i n e a r array）： beamfolming： simulationo 前言智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向 提高增益，在干扰源的方向降低增益。因此，智能天 线系统的应用可以带来如下好处：（1）在基站，手机发射功率和接收灵敏度不变的 情况下，通过提高基站夭线的増益，増加覆盖距离。（2）在建网初期，小区内用户不多，使用智能天 线能扩展通信距离，可以减少基站的数目，这就减少 了无线系统安装初期的建设费用。随着用户的增加。进行小区分裂减少基站的覆盖范鬧后，因为智能 天

3、线的应用可以提高载干比，降低用户的发射功率， 降低了系统的干扰。另一方而，由于更加频繁的重 复使用频率，又可以提高系统的容虽。（3）无线信道中的多径，能导致衰落和时间扩 散，智能天线有助于缓和多径的冲击，甚至可以利用 多径所固有的分集效应，进而改善了链路的质虽。（4）CDMA系统有严格的功率控制要求，对用户 的地而分布特别敏感。智能天线能够分离不同的上行信号，以降低对功率控制的要求，并且能够实时调2 2 整方向图，从而缓解用户地理分布不均的矛盾。1 原理为使天线的波束指向可控。甚至形状可控。采用 阵列天线是合适的。波达方向I）（）A （ D i r c t i o n （） fA r r i

4、v a ）的估计是智能天线工作的基础。获得波达 方向的估计以后，波束形成是智能天线工作的重要 内容。在距离通信源足够远的空间里，可以将到达的 电磁波视为平面波。对于等距离直线阵天线，由于 调制在载波上的基带信号码元宽度与波速的乘积远 大于天线阵列的尺寸，因此多个天线阵元上的信号 的幅度可视为不变，而它们载波的相位差则取决于 它们相互位置、尺寸、波长和到达方向。图1是智能天线的原理框图，图2址等距离口牧稿日期s 2 0 0 2 1 2 2 3基金项II：云南省自然科学基金（No. F 0 0 4 0 M）作者简介:林体芳（1 9 4 4 一.女.昆明理工大学理学院.翩敦授.1 9 6 7年甲业于

5、云南大学物理系.上要研咒方向：物理学.数字通佶.阵元0臣图1智能天线的原理框图m 2 务弟离m纨阵的三维w线阵的三维图。我们把天线阵元沿x轴排列，从0 到M 1个。若有一平面波以0角(与Z轴的夹角 和夺角(与X轴的夹角)入射到阵列上，K号阵元 第上产生的信号为 ，它与0号阵元的波程差为:kds inOcos ,相 A = k s i n 0 c o s d 位差是一：与分别是入射波的波长和阵元的间距，A 亦称阵因 子。计入阵因子的影响，第K号阵元的输岀址A 即“。为了使天线阵的输出满足需要，在每个阵元 上用加权因子 来控制。这样第K号阵元上输出 的信号为 A 即“：若到达天线阵的信号是N 个，

6、天线阵的输岀是N个信号在M个阵元上的输出 的迭加。将问题简化为xy平而的二维问题并用解 析式表达如下：X ( n ) = ( n ),。( n ),(n )(1 )uA ( )=exp(i2开cos(是第.个信号的入射角)A,= A町,A 1 , AA( ), A(2 )A = Ao, A , A AIV( 3 )AA( 4 )_占 o, I, . rY ( t ) = A = U A( 5 )其中 =Mo,MI,AM波束形成的任务是在希望接收的信号到来的方向形成尽虽高的增益：最大限度的抑制干扰信号。 下而分别讨论单个信号及多个信号同时到达的情 况。1 . 1单信号情况个以。角入射的信号A=

7、A 1 ：(n ) = o ( n )当 =A (。)时，输出功率最大。令 (o) = exp ( i2JT COS ( o )Y ( t ) =( o) A X =( o) A( 6 )改变。即改变w可以改变阵列输出的方向特性。1 . 2多信号情况当有多个(N个)信号输入，其中有1个信号绘我 们关心的，N1个信号是需要抑制的。方程组(7)描 述了上述需求的约束条件(四个信号输入，第一个信 号是我们关心的，其余的信号是需要抑制的)。.1,0, 0,0 A( 7)找们根据对信号波达方向的估计及约束条件可以求解方程组(7)得到 =。，Aw 一。代入(5)式可以得到阵列输岀的方向特性Y (t)。2

8、仿真试验(1)在七个阵元的等距离直线阵上进行单信号 波束形成试验。在信号到来的方向形成尽虽高的增益。图3单佶号枪入的阵输岀方向图图3绘单信号输入当。=60度时的阵输岀方 )向图。图4是单信号输入角度。从38到142度变化时接收到的45度方向及昇。度的信号增益】，其余图4单佶号输人时 的相角变化的相角变化。这时阵输出方向图上最大波瓣的峰五个佶号输人的阵输岀方向图值也从38到142度变化，即实现天线波束扫描。（2 ）在七个阵元的等距离直线阵上进行五个信号同时到达（分别从30、45、GO、1 20、及150度方向来 的信号）及四个信号同时到达（分别从3 0、4 5、6 度方向来的信号）的波束形成的仿

9、贞试验。当四个 信号同时到达时，其中有一个方向是我们关心的；当 五个信号同时到达时，其中有一个或两个方向是我 们关心的，其余方向的信号要加以抑制。五个佶号输人的阵输出方向图图5 W个佶兮綸人的阵输出方向图图6五个佑号输人的阵输出方向图图5定四个信号输入（分别从3 0. 4 5、图7是接收来H 1 2 0度方向的信号抑制其余 的。即接收到120度的信号增益为1,其余四个方向 的信号增益为0。图8是接收来H 6 0度方向的信号抑制其余的。 即接收到的60度方向的信号增益为1,其余四个方 向的信号增益为0。（3）仿真结果讨论 应用本文的方法能够实现波束形成。在希望 抑制信号的到达方向能形成尖锐的零陷

10、。在接收信 号方向的天线增益满足要求。 不是任何时候都能够将波瓣的峰点对准接收 信号。在其他方向有波瓣，有的还比较大。本文的 方法未引入噪声。要解决这些问题还需应用更复杂的算法。 试验表明，阵元之间的距离、 复杂的波束形状。1 5 0度阵元多能够分辨更多的信号，调节 甚至非均匀间距的阵列能形成更CDMA输入人接收来H 4 5度方向的信号抑制其余方向信 号的仿贞结果。即接收到的4 5度方向的信号增益 为1,其余三个方向的信号增益为0。图6、图7.图8分别是五个信号输入（分别从30. 45、G0、1 2 0 . 1 5 0度输入）。图G是接收来 4 5度及120度两个方向的信号抑制其余的仿真结果。即参考文献1 J o s e p h C Liberia Theodore ma rt/mennas forWi r e 1 e s sCommun i ca I ions S 95 and ThirdP r e n I c e H & I I1 9 9 9 白2张贤达.保挣.通倍佶号处理.北京：国防工业出版社.2 000.3査光明.熊贤祚.扩频通佶.西安：西安电子科大出版社.1 9 9 9.贞任:张荣香