短波圓環自適應抗干擾研究

汪松年 尹立 閆耀峰

（91290部隊北京102100）

短波圓環自適應抗干擾研究

汪松年 尹立 閆耀峰

（91290部隊北京102100）

自適應天線陣列將陣列天線和自適應信號處理技術相結合，具有在空域有效抑制強干擾的能力。論文從陣型、陣列參數的分析出發，采用電磁計算軟件FEKO對圓環陣列建模仿真，并利用遺傳算法在考慮SIR（信號與干擾功率比）和不考慮SIR的情況下分別對各陣元的相位值進行優化以達到抗干擾的目的，結果表明，考慮SIR的優化使圓環陣列的抗干擾能力更強，更符合實際工程的需要。

短波；圓環陣列；自適應

Class NumberTN82

1 引言

目前短波頻段電磁環境惡劣，各種用頻設備和工業干擾對通信造成很大影響，加上短波通信由于自身頻帶窄，依靠電離層傳播等特點，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，提高天線的接收效果，已成為短波天線系統設計的一個重要目標。自適應天線陣將陣列天線技術與自適應信號處理技術相結合，利用相控陣天線波束可控的優點，通過將方向圖零陷對準干擾來實現空間濾波，從而達到有效抑制非來波方向的干擾，是短波抗干擾通信的發展趨勢［2］。

圓陣列有著更加優越的性能，它能提供俯仰角的估計；可以實現全向掃描，能通過循環移動陣列激勵，簡單靈活的操縱波束方位，因此，均勻圓陣列有著廣泛的應用前景［3］。在陣列天線中，圓環陣列天線與線陣相比，具有對稱性好，全方位掃描能力強的優點，適合于用作短波自適應抗干擾天線陣。

為了有效地提高短波圓環陣列天線抗干擾效果，本文結合FEKO和Matlab軟件并應用遺傳算法，對在5MHZ-20MHZ的頻率下通過改變各陣元的相位值實現對SIR的優化，進而得到圓環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，圓環陣列擁有很好的抗干擾能力，能夠較好地滿足工程應用的需求。

2 陣型選擇

陣列天線的布陣形式主要有直線陣，平面陣，圓環陣等形式。直線陣是由分布在一條直線的N個陣元構成，其具有主瓣能量集中，副瓣電平較小，方向性系數較好等特點，但其天線間存在較大的互耦，很難做到360°全方位的掃描，當干擾方向為不固定的情況下不易做到自適應地調整零陷方向［4］。平面陣時由分布在一個水平面的N個陣元不規則的組成，其具有方向性強，旁瓣低，波束賦形易形成等特點，但其數據量較大，天線單元較多，占地面積較大。圓環陣是由分布在一個圓周上的N個陣元組成，其具有圓周旋轉對稱性，可以全方位的操作其零點和波束，在任意角度實現零陷。在空域濾波技術中，圓環陣列形成的零點數由陣元數量控制，最多形成N-1個零陷，但是圓環陣列的主瓣和旁瓣的差別不是太大。與線陣和平面陣相比，圓環陣列可以自適應的調整零陷角度，實現水平面全方位的掃描，而且天線間的互耦影響較小，其體型小，成本低，機動能力較好，并且可以通關算法來彌補主瓣和旁瓣差別較小的問題。所以在抗干擾問題上，圓環陣列有著線陣和平面陣不可比擬的優勢。本文選用圓環陣列進行仿真。

3 圓環陣列參數的選取

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，其波長為300m-15m，陣元數為8，當陣元間距小于0.25個波長時，形成的波束副瓣過大，當陣元間距為1個波長時，產生的副瓣過多。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的圓環陣列［5］。

3.2 陣元數的影響

在空間濾波技術中，自適應天線陣列的陣元數量越多，方向圖形成的零陷越多，一般N元陣列最多可以產生N-1個零陷，但是陣元數越多，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］。陣元數過少，所形成的方向圖的主瓣寬度過窄。綜合本文研究的目的、抗干擾的源數量以及硬件的復雜度本文選擇8元圓環陣列。天線模型如圖1所示。

4 波束優化準則

自適應陣列是通過自適應算法來確定其優良性的，有四種常用的準則來確定自適應權值。它們是：1）最小均方誤差（MSE）準則；2）最大信號干擾噪聲比（SINR）準則；3）最大似然比（LH）準則；4）最小噪聲方差（NV）準則。本文波束優化采用的是最大信號噪聲比準則（SINR）［7］，由于本文主要考慮的是干擾的影響，因此對于外部噪聲考慮為理想外部環境。陣列接受的數據為［8］

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

其中WH為自適應陣列加權向量。波束形成后信號功率為

其中Rs=E{xs(t) xsH(t)}。干擾功率為

其中Ri=E{xi(t) xiH(t)}。所以信號和干擾的功率比為

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

5 圓環陣列性能分析

設有N個各向同性輻射元沿著半徑為a的圓周排列而構成了圓環陣如圖2。圓環陣位于xy平面上。把每個單元對遠區場點的貢獻疊加起來就可以求得圓環陣的遠場方向圖函數：

其中In是位于φ=φn處的第n單元的激勵電流，αn是相應的激勵相位（以陣中心為參考點）。N為陣元數。只要給定a、N、In、φn、θ0、φ0，便可利用以上三個式子計算單圓環陣列的場強方向圖。

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

式中θ0為方向圖對應的角度，F() θ0為歸一化場強方向函數。W為自適應權向量。這里假設各陣元均為各向同性陣元，且取水平面3點鐘方向的第一個陣元為參考陣元。一般對式（6）取模的平方并進行歸一化，然后去對數，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，通過空間濾波對干擾的抑制［10］，其公式為

根據式（6）可以得到信干抑制比的公式為

6 仿真結果分析

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

6.130 °90°方向圖對比

分別計算了圓環列陣在8MHZ、12MHZ、16MHZ、20MHZ頻率點上，只考慮SIR的大小和不考慮SIR的大小，只要求干擾方向實現方向圖零陷及來波方向最大增益兩種情況的水平面方向圖對比，并列出具體的參數值，如圖3，表1。注：30°為來波方向，90°為干擾方向。

由圖3、表1可見，僅僅考慮方向圖的零陷和來波是否落到主瓣上雖然避開了干擾信號，但是所得到的增益系數遠遠達不到實際工程的要求。而在只優化SIR的值所得到的方向圖不僅在干擾方向也實現了零陷，而且輸入信號的增益遠遠大于干擾信號的增益，很好的抑制了干擾信號，抗干擾的能力更強，更符合實際工程的需要。

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列陣在短波頻段具有很好的抗干擾能力，本節計算了圓環列陣在5MHZ、10MHZ、14MHZ、18MHZ頻率點上，對SIR進行優化形成的方向圖，并列出具體的參數值，如圖4，表2。注：30°為來波方向，45°為干擾方向。

由圖4、表2可見，在30°、45°方向角相差較小時圓環陣列也可以達到很好的抑制干擾的效果。

表2 方向圖特征值

7 結語

通過以上兩種情況下仿真的對比，可以看出通過對圓環自適應列陣接收天線在短波各頻率的信干抑制比的優化，可以很好地實現方向圖在干擾方向形成零陷，并且增益系數的值滿足實際工程的需要，從而驗證圓環自適應陣列天線在短波頻段存在單干擾源的情況下能過實現很好的抗干擾效果。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，圓環自適應陣列天線的方向圖該如何優化，將成為下一步研究的重點。

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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、電子信息戰略研究。尹立，男，碩士研究生，助理工程師，

研究方向：短波自適應天線、國家安全戰略。閆耀峰，男，工程師，研究方向：網絡化建設、有線通信。