【波束成形】相控阵天线波束成形附Matlab代码

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🔥 内容介绍

在现代通信、雷达、导航、电子对抗等领域，对天线性能的要求日益提高，不仅需要具备高增益、宽频带等特性，还需要能够灵活、快速地调整波束方向，以适应复杂多变的电磁环境。相控阵天线作为一种能够通过电控方式实现波束快速扫描和成形的阵列天线，凭借其独特的优势成为解决这一需求的核心技术。

相控阵天线波束成形技术通过对阵列中各单元天线的激励幅度和相位进行精确控制，使电磁波在空间特定方向形成高强度的波束，同时在其他方向实现有效抑制，从而实现波束的定向辐射或接收。该技术能够显著提高通信系统的抗干扰能力、雷达系统的探测精度和分辨率、导航系统的定位准确性等。

开展相控阵天线波束成形研究，对于推动无线通信技术的升级（如 5G/6G 通信）、提升国防电子装备的性能、促进航空航天领域的发展等具有重要的理论意义和实际应用价值。通过深入研究波束成形的原理、算法和实现方法，可以进一步提高相控阵天线的性能，拓展其应用范围。

二、相控阵天线波束成形基本原理

（一）相控阵天线的组成

相控阵天线由多个辐射单元（天线单元）按照一定的几何规律排列而成，通常还包括移相器、衰减器、馈电网络和波束控制器等关键部件。

天线单元是相控阵天线的基本辐射单元，其性能直接影响整个阵列的性能，常见的天线单元有 dipole 天线、微带天线、波导天线等，根据应用场景的不同选择合适的天线单元类型。

移相器用于改变每个天线单元激励信号的相位，是实现波束扫描的核心部件，其移相精度和速度对波束成形的性能至关重要。

衰减器用于调整每个天线单元激励信号的幅度，通过控制各单元的幅度分布，可以改善波束的形状，降低副瓣电平。

馈电网络负责将发射机或接收机的信号分配到各个天线单元（发射时）或将各个天线单元接收的信号汇总到接收机（接收时）。

波束控制器根据系统的指令，计算并控制各移相器和衰减器的状态，实现波束的定向、扫描和成形。

三、波束成形关键技术

（一）波束扫描技术

波束扫描是相控阵天线的基本功能，分为机械扫描和电扫描两种方式，相控阵天线主要采用电扫描方式。电扫描通过改变各天线单元的相位来实现波束的转动，具有扫描速度快（微秒级甚至纳秒级）、无惯性、可同时跟踪多个目标等优点。

根据扫描范围的不同，波束扫描可以分为一维扫描和二维扫描。一维扫描相控阵天线（如线阵）只能在一个平面内实现波束扫描；二维扫描相控阵天线（如面阵）可以在三维空间内实现波束的全方位扫描。

在波束扫描过程中，需要考虑扫描盲区和波束宽度变化等问题。当波束扫描角度较大时，由于阵列孔径的限制，可能会出现扫描盲区；同时，波束宽度会随着扫描角度的增大而变宽，影响天线的方向性。通过优化阵列结构、采用加权技术等方法，可以减轻这些问题的影响。

（二）低副瓣波束成形技术

副瓣是指主波束之外的辐射瓣，副瓣电平过高会导致天线接收外界干扰的能力增强、发射时能量浪费等问题。因此，降低副瓣电平是相控阵天线波束成形的重要目标之一。

低副瓣波束成形技术主要通过优化各天线单元的激励幅度分布来实现。常见的幅度加权函数有均匀分布、三角形分布、切比雪夫分布、泰勒分布等。均匀分布的副瓣电平较高，但主瓣宽度较窄；切比雪夫分布可以在给定副瓣电平的情况下，使主瓣宽度最小；泰勒分布能够在靠近主瓣的区域快速降低副瓣电平，适用于对近副瓣要求较高的场合。

通过采用合适的幅度加权函数，可以有效降低副瓣电平，但同时也会使主瓣宽度略有增加，需要在副瓣电平和主瓣宽度之间进行权衡。

（三）波束成形算法

波束成形算法是相控阵天线实现智能波束控制的核心。传统的波束成形算法主要基于最大信噪比准则、最小均方误差准则等，如延迟和相加算法、Capon 算法等。

延迟和相加算法是一种简单的波束成形算法，通过对各阵元的信号进行延迟补偿（相当于相位补偿）后相加，实现波束指向控制，该算法计算量小，实时性好，但抗干扰能力较弱。

Capon 算法是一种自适应波束成形算法，它在保证期望信号方向增益最大的同时，使阵列输出功率最小，从而有效抑制干扰和噪声。自适应波束成形算法能够根据环境的变化自动调整波束形状和零点位置，具有更强的抗干扰能力和自适应能力，但计算复杂度较高，对硬件处理能力要求较高。

近年来，基于深度学习的波束成形算法逐渐成为研究热点，通过训练神经网络来学习波束成形的规律，能够在复杂环境下实现更优的波束成形效果，但需要大量的训练数据和计算资源。

四、相控阵天线波束成形的实现方法

（一）模拟波束成形

模拟波束成形是在射频前端对信号进行相位和幅度控制，通过移相器和衰减器实现波束成形。其优点是结构简单、成本低、功耗小，适用于窄带系统。但模拟波束成形难以实现多波束同时工作，且相位和幅度控制精度受硬件器件性能的限制，灵活性较差。

（二）数字波束成形

数字波束成形是在基带或中频对信号进行数字化处理，通过数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）实现波束成形算法。数字波束成形可以精确控制各通道的相位和幅度，具有极高的灵活性和精度，能够同时形成多个独立的波束，适应宽带信号处理。

但数字波束成形需要为每个天线单元配备独立的 ADC/DAC 和数字处理通道，硬件复杂度高，成本和功耗较大。随着集成电路技术的发展，数字波束成形在相控阵天线中的应用越来越广泛，尤其是在雷达、通信等高性能领域。

（三）混合波束成形

混合波束成形结合了模拟波束成形和数字波束成形的优点，在射频端采用模拟波束成形实现粗略的波束控制，在基带端采用数字波束成形实现精细的波束调整。混合波束成形能够在保证一定灵活性和性能的同时，降低硬件复杂度和成本，是大规模 MIMO 通信系统中常用的波束成形方式。

五、应用场景与发展趋势

（一）应用场景

相控阵天线波束成形技术在军事和民用领域都有着广泛的应用。在军事领域，相控阵雷达利用波束快速扫描和多波束能力，能够实现对多个目标的同时探测、跟踪和识别，如舰载雷达、机载预警雷达等；在电子对抗中，相控阵天线可以形成高功率定向波束，对敌方电子设备进行干扰。

在民用领域，相控阵天线波束成形技术应用于 5G/6G 通信系统，通过波束赋形和跟踪，提高通信链路的容量和可靠性；在卫星通信中，相控阵天线能够快速调整波束指向，实现对不同区域的覆盖；在医疗领域，相控阵超声成像利用波束成形技术提高成像分辨率和质量。

（二）发展趋势

未来，相控阵天线波束成形技术将向以下方向发展：

1. 小型化与集成化：通过采用 MEMS 技术、集成电路技术等，实现相控阵天线的小型化和集成化，降低系统的体积、重量和成本，拓展其在无人机、物联网等领域的应用。

1. 宽带化与多频段：随着通信和雷达系统对带宽的需求不断增加，相控阵天线波束成形技术将向宽带化和多频段方向发展，实现对不同频段信号的同时处理。

1. 智能化与自适应：结合人工智能、机器学习等技术，提高相控阵天线的自适应能力和智能决策水平，使其能够在复杂动态环境中自动优化波束成形策略，提升系统性能。

1. 大规模阵列：在 6G 通信等领域，大规模相控阵天线将成为主流，通过数百甚至数千个天线单元的协同工作，实现极高的频谱效率和定向增益，需要解决波束成形算法的计算复杂度、硬件同步等问题。

六、结论

相控阵天线波束成形技术通过对天线阵列单元的相位和幅度控制，实现了波束的快速扫描、赋形和零点控制，极大地提升了天线系统的性能和灵活性，在通信、雷达、电子对抗等众多领域发挥着重要作用。

随着移相器技术、馈电网络技术和波束成形算法的不断发展，相控阵天线波束成形技术将朝着小型化、集成化、宽带化、智能化和大规模阵列的方向迈进，为未来的无线通信和雷达系统提供更强大的技术支持。同时，也需要不断克服硬件成本、功耗、算法复杂度等方面的挑战，推动相控阵天线波束成形技术的进一步成熟和广泛应用。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 梁广,龚文斌,余金培.基于子阵列的低轨星载多波束相控阵天线的设计与实现[J].电子与信息学报, 2010(6):6.DOI:10.3724/SP.J.1146.2009.00695.

[2] 梁广,龚文斌,余金培.基于阵列分解的星载相控阵天线波束成形网络设计[J].高技术通讯, 2010(9):6.DOI:CNKI:SUN:GJSX.0.2010-09-007.

[3] 梁广%龚文斌%余金培.基于阵列分解的星载相控阵天线波束成形网络设计[J].高技术通讯, 2010(9):20.

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