汪松年 尹立 閆耀峰

（91290部隊(duì)北京102100）

短波圓環(huán)自適應(yīng)抗干擾研究

汪松年 尹立 閆耀峰

（91290部隊(duì)北京102100）

自適應(yīng)天線(xiàn)陣列將陣列天線(xiàn)和自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，具有在空域有效抑制強(qiáng)干擾的能力。論文從陣型、陣列參數(shù)的分析出發(fā)，采用電磁計(jì)算軟件FEKO對(duì)圓環(huán)陣列建模仿真，并利用遺傳算法在考慮SIR（信號(hào)與干擾功率比）和不考慮SIR的情況下分別對(duì)各陣元的相位值進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到抗干擾的目的，結(jié)果表明，考慮SIR的優(yōu)化使圓環(huán)陣列的抗干擾能力更強(qiáng)，更符合實(shí)際工程的需要。

短波；圓環(huán)陣列；自適應(yīng)

Class NumberTN82

1 引言

目前短波頻段電磁環(huán)境惡劣，各種用頻設(shè)備和工業(yè)干擾對(duì)通信造成很大影響，加上短波通信由于自身頻帶窄，依靠電離層傳播等特點(diǎn)，其易受天氣噪聲，人為噪聲的影響［1］。如何快速、有效地抑制各種干擾，提高天線(xiàn)的接收效果，已成為短波天線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要目標(biāo)。自適應(yīng)天線(xiàn)陣將陣列天線(xiàn)技術(shù)與自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，利用相控陣天線(xiàn)波束可控的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)將方向圖零陷對(duì)準(zhǔn)干擾來(lái)實(shí)現(xiàn)空間濾波，從而達(dá)到有效抑制非來(lái)波方向的干擾，是短波抗干擾通信的發(fā)展趨勢(shì)［2］。

圓陣列有著更加優(yōu)越的性能，它能提供俯仰角的估計(jì)；可以實(shí)現(xiàn)全向掃描，能通過(guò)循環(huán)移動(dòng)陣列激勵(lì)，簡(jiǎn)單靈活的操縱波束方位，因此，均勻圓陣列有著廣泛的應(yīng)用前景［3］。在陣列天線(xiàn)中，圓環(huán)陣列天線(xiàn)與線(xiàn)陣相比，具有對(duì)稱(chēng)性好，全方位掃描能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適合于用作短波自適應(yīng)抗干擾天線(xiàn)陣。

為了有效地提高短波圓環(huán)陣列天線(xiàn)抗干擾效果，本文結(jié)合FEKO和Matlab軟件并應(yīng)用遺傳算法，對(duì)在5MHZ-20MHZ的頻率下通過(guò)改變各陣元的相位值實(shí)現(xiàn)對(duì)SIR的優(yōu)化，進(jìn)而得到圓環(huán)陣列水平方向的方向圖。從而證明在短波頻段，充分考慮SIR情況下，圓環(huán)陣列擁有很好的抗干擾能力，能夠較好地滿(mǎn)足工程應(yīng)用的需求。

2 陣型選擇

陣列天線(xiàn)的布陣形式主要有直線(xiàn)陣，平面陣，圓環(huán)陣等形式。直線(xiàn)陣是由分布在一條直線(xiàn)的N個(gè)陣元構(gòu)成，其具有主瓣能量集中，副瓣電平較小，方向性系數(shù)較好等特點(diǎn)，但其天線(xiàn)間存在較大的互耦，很難做到360°全方位的掃描，當(dāng)干擾方向?yàn)椴还潭ǖ那闆r下不易做到自適應(yīng)地調(diào)整零陷方向［4］。平面陣時(shí)由分布在一個(gè)水平面的N個(gè)陣元不規(guī)則的組成，其具有方向性強(qiáng)，旁瓣低，波束賦形易形成等特點(diǎn)，但其數(shù)據(jù)量較大，天線(xiàn)單元較多，占地面積較大。圓環(huán)陣是由分布在一個(gè)圓周上的N個(gè)陣元組成，其具有圓周旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，可以全方位的操作其零點(diǎn)和波束，在任意角度實(shí)現(xiàn)零陷。在空域?yàn)V波技術(shù)中，圓環(huán)陣列形成的零點(diǎn)數(shù)由陣元數(shù)量控制，最多形成N-1個(gè)零陷，但是圓環(huán)陣列的主瓣和旁瓣的差別不是太大。與線(xiàn)陣和平面陣相比，圓環(huán)陣列可以自適應(yīng)的調(diào)整零陷角度，實(shí)現(xiàn)水平面全方位的掃描，而且天線(xiàn)間的互耦影響較小，其體型小，成本低，機(jī)動(dòng)能力較好，并且可以通關(guān)算法來(lái)彌補(bǔ)主瓣和旁瓣差別較小的問(wèn)題。所以在抗干擾問(wèn)題上，圓環(huán)陣列有著線(xiàn)陣和平面陣不可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文選用圓環(huán)陣列進(jìn)行仿真。

3 圓環(huán)陣列參數(shù)的選取

3.1 陣元間距的影響

本文選用的頻段為短波的中間頻段5MHZ～20MHZ，其波長(zhǎng)為300m-15m，陣元數(shù)為8，當(dāng)陣元間距小于0.25個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，形成的波束副瓣過(guò)大，當(dāng)陣元間距為1個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生的副瓣過(guò)多。綜合考慮短波3MHZ-30MHZ頻段及占地面積等原因，本文選用半徑為10m的圓環(huán)陣列［5］。

3.2 陣元數(shù)的影響

在空間濾波技術(shù)中，自適應(yīng)天線(xiàn)陣列的陣元數(shù)量越多，方向圖形成的零陷越多，一般N元陣列最多可以產(chǎn)生N-1個(gè)零陷，但是陣元數(shù)越多，陣元之間的互耦影響越大，接收外部影響的噪聲越多，成本越高［6］。陣元數(shù)過(guò)少，所形成的方向圖的主瓣寬度過(guò)窄。綜合本文研究的目的、抗干擾的源數(shù)量以及硬件的復(fù)雜度本文選擇8元圓環(huán)陣列。天線(xiàn)模型如圖1所示。

4 波束優(yōu)化準(zhǔn)則

自適應(yīng)陣列是通過(guò)自適應(yīng)算法來(lái)確定其優(yōu)良性的，有四種常用的準(zhǔn)則來(lái)確定自適應(yīng)權(quán)值。它們是：1）最小均方誤差（MSE）準(zhǔn)則；2）最大信號(hào)干擾噪聲比（SINR）準(zhǔn)則；3）最大似然比（LH）準(zhǔn)則；4）最小噪聲方差（NV）準(zhǔn)則。本文波束優(yōu)化采用的是最大信號(hào)噪聲比準(zhǔn)則（SINR）［7］，由于本文主要考慮的是干擾的影響，因此對(duì)于外部噪聲考慮為理想外部環(huán)境。陣列接受的數(shù)據(jù)為［8］

其中xs(t)為t時(shí)刻信號(hào)部分，xi(t)為t時(shí)刻干擾部分。波束形成后陣列的輸出為

其中WH為自適應(yīng)陣列加權(quán)向量。波束形成后信號(hào)功率為

其中Rs=E{xs(t) xsH(t)}。干擾功率為

其中Ri=E{xi(t) xiH(t)}。所以信號(hào)和干擾的功率比為

使上式信干比最大輸出的權(quán)值向量wopt為矩陣對(duì)() Rs，Ri的最廣義特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量。

5 圓環(huán)陣列性能分析

設(shè)有N個(gè)各向同性輻射元沿著半徑為a的圓周排列而構(gòu)成了圓環(huán)陣如圖2。圓環(huán)陣位于xy平面上。把每個(gè)單元對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)點(diǎn)的貢獻(xiàn)疊加起來(lái)就可以求得圓環(huán)陣的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖函數(shù)：

其中In是位于φ=φn處的第n單元的激勵(lì)電流，αn是相應(yīng)的激勵(lì)相位（以陣中心為參考點(diǎn)）。N為陣元數(shù)。只要給定a、N、In、φn、θ0、φ0，便可利用以上三個(gè)式子計(jì)算單圓環(huán)陣列的場(chǎng)強(qiáng)方向圖。

上述描述中給出了在理想情況下的圓環(huán)陣列的場(chǎng)強(qiáng)分布公式，而實(shí)際應(yīng)用中更需要的是在考慮圓環(huán)陣列的定向收益程度即天線(xiàn)的增益系數(shù)（Gain）。下面將討論陣列方向圖增益的計(jì)算公式。

式中θ0為方向圖對(duì)應(yīng)的角度，F(xiàn)() θ0為歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)。W為自適應(yīng)權(quán)向量。這里假設(shè)各陣元均為各向同性陣元，且取水平面3點(diǎn)鐘方向的第一個(gè)陣元為參考陣元。一般對(duì)式（6）取模的平方并進(jìn)行歸一化，然后去對(duì)數(shù)，即在θ0方向的歸一化方向圖的增益為［9］

信干抑制比的定義為在輸入和干擾同等幅度的情況下，通過(guò)空間濾波對(duì)干擾的抑制［10］，其公式為

根據(jù)式（6）可以得到信干抑制比的公式為

6 仿真結(jié)果分析

為了更好的分析圓環(huán)陣列的水平方向方向圖，本文采用了商用軟件FEKO分別對(duì)來(lái)波方向30°、干擾方向90°以及來(lái)波方向30°、干擾方向45°在5MHZ～20MHZ頻段上進(jìn)行方向圖仿真。仿真中設(shè)定的陣元為10m鞭天線(xiàn)，陣元數(shù)為8，半徑為10m的圓環(huán)陣列。各陣元的幅度均為1。

6.130 °90°方向圖對(duì)比

分別計(jì)算了圓環(huán)列陣在8MHZ、12MHZ、16MHZ、20MHZ頻率點(diǎn)上，只考慮SIR的大小和不考慮SIR的大小，只要求干擾方向?qū)崿F(xiàn)方向圖零陷及來(lái)波方向最大增益兩種情況的水平面方向圖對(duì)比，并列出具體的參數(shù)值，如圖3，表1。注：30°為來(lái)波方向，90°為干擾方向。

由圖3、表1可見(jiàn)，僅僅考慮方向圖的零陷和來(lái)波是否落到主瓣上雖然避開(kāi)了干擾信號(hào)，但是所得到的增益系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際工程的要求。而在只優(yōu)化SIR的值所得到的方向圖不僅在干擾方向也實(shí)現(xiàn)了零陷，而且輸入信號(hào)的增益遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于干擾信號(hào)的增益，很好的抑制了干擾信號(hào)，抗干擾的能力更強(qiáng)，更符合實(shí)際工程的需要。

表1 方向圖特征值

6.230 °45°方向圖

90°和30°的方向角相差較大還不足以證明圓環(huán)列陣在短波頻段具有很好的抗干擾能力，本節(jié)計(jì)算了圓環(huán)列陣在5MHZ、10MHZ、14MHZ、18MHZ頻率點(diǎn)上，對(duì)SIR進(jìn)行優(yōu)化形成的方向圖，并列出具體的參數(shù)值，如圖4，表2。注：30°為來(lái)波方向，45°為干擾方向。

由圖4、表2可見(jiàn)，在30°、45°方向角相差較小時(shí)圓環(huán)陣列也可以達(dá)到很好的抑制干擾的效果。

表2 方向圖特征值

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上兩種情況下仿真的對(duì)比，可以看出通過(guò)對(duì)圓環(huán)自適應(yīng)列陣接收天線(xiàn)在短波各頻率的信干抑制比的優(yōu)化，可以很好地實(shí)現(xiàn)方向圖在干擾方向形成零陷，并且增益系數(shù)的值滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要，從而驗(yàn)證圓環(huán)自適應(yīng)陣列天線(xiàn)在短波頻段存在單干擾源的情況下能過(guò)實(shí)現(xiàn)很好的抗干擾效果。但這種情況僅僅是在單干擾源的情況下，如果存在多干擾源，圓環(huán)自適應(yīng)陣列天線(xiàn)的方向圖該如何優(yōu)化，將成為下一步研究的重點(diǎn)。

［1］林鴻武，張玉興.一種新的短波自適應(yīng)天線(xiàn)調(diào)諧器的設(shè)計(jì)［J］.電子信息技術(shù)，2004，16（8）：86-91.

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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，助理工程師，研究方向：短波接收機(jī)、電子信息戰(zhàn)略研究。尹立，男，碩士研究生，助理工程師，

研究方向：短波自適應(yīng)天線(xiàn)、國(guó)家安全戰(zhàn)略。閆耀峰，男，工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)、有線(xiàn)通信。