智能天线：MATLAB实践版（原书第2版）_[美]弗兰克·B.格罗斯（Frank B.Gross）_9787111632498

本书全新升级，是一本更完整、更新内容的智能天线设计和性能实践指南。
本书结合大量的MATLAB实践案例，全面详解了智能天线领域所包含的理论与技术，可以为读者搭建全面的智能天线知识和理论基础，帮助读者深入理解智能天线的原理与实践过程。
本书作为实践指南可以为无线通信工程师学习智能天线提供重要指导与参考，也可作为通信、电子、计算机等相关专业研究生或高年级本科生的学习教材。

原书前言
我们生活在智能技术的时代：智能卡、智能手机、智能环境、智能计量、智能建筑、智能传感器，以及智能天线。智能天线曾经也叫自适应天线，并在文献里广为报道。早在20世纪50年代，许多公开的文献揭示了增强天线阵性能的自适应算法。随着技术的突破，现在我们有了智能天线，包括天线阵，但其通常根本不像天线阵。许多现代天线已经在我的书Frontiers in Antennas: Next Generation Design & Engineering（McGraw-Hill，2011）中有详细的描述。我对智能天线的定义是：智能自优化的交互式天线。有时，这样的天线也被描述为感知天线。整体上，这些天线涵盖从简单的波束导向天线阵到自治愈天线。换句话说，它们可能并不是那么智能。智能天线可以让用户在噪声和干扰的环境中进行特定的信号搜索。对于自治愈的天线，当天线受损的时候，它可以改进性能以减小性能的损失。
对于一些简单的智能天线，它可以测量6个扇区的电磁场并检测信号的到达角。不管简单还是复杂，智能天线总是能在环境变化的时候用算法来优化性能。本书第２版不仅仅局限于无线通信，因为我认为这对在持续演进的科学来说太局限，因为智能天线的应用不仅仅局限于无线通信，所以这次的修订增加了3章：第9章，测向；第10章，矢量传感器；第11章，智能天线设计。尽管我在信号处理、雷达、通信和电磁场等领域有深厚的背景，也在产业界和学术界工作了多年，但我很难找到一本可以适合不同领域的人员共同参考的智能天线教科书。此外，很少有书籍涉及智能天线的主题，因为智能天线涉及多种不同规则的融合，在相应的领域需要融会贯通。所以，本书的最重要的目标就是呈现这些不同的科学和工程理论的基础，以及应用在智能天线时如何融合。为了理解智能天线的特征，读者需要熟悉电磁场、天线、阵列处理、传播、信道特征、随机过程、谱估计和自适应方法。所以，在深入研究智能天线技术之前，本书可以很好地作为一个基础。
本书共包含11章，第1章介绍智能天线的背景、出发点、必要性和意义。第2章介绍电磁场的反射、衍射和传播，这些概念有助于理解路径增益因子、覆盖和衰落，以及在多个天线阵元间的多径传播和相位的关系。第3章介绍基本的天线理论，包括天线的基本表征，如波束宽度、增益，天线方向图和有效孔径等。Friis传输方程有助于理解球面扩展和接收的相关问题，所以也有相关的讨论。最后，对偶极子和天线环的特征也有所描述，以帮助读者理解单个的天线阵元如何影响整个天线阵的性能。
第4章重点介绍天线阵。阵列现象学有助于理解天线的形状和天线的方向图之间的关系，包括线阵、环阵和面阵。阵列加权有助于读者理解天线阵列如何影响辐射方向图。特定的天线阵列，如固定波束天线阵、波束导向天线阵、Butler阵、逆向天线阵等，在该章有深入的讨论。这样的安排对于理解智能天线的性能和限制是非常有帮助的。
第5章介绍随机变量和随机过程的基础。多径信号和噪声都具有随机化的特征，信道的时延和到达角也都是随机变量。这样，基本的随机过程的知识有助于理解到达信号的特征，以及如何处理阵列的输入信号。许多智能天线的应用要求计算相关矩阵。为了帮助读者理解相关矩阵、预测矩阵，以及如何计算最优阵列加权，随机过程的遍历性和平稳性的知识很重要。所以，在学习智能天线课程之前，需要熟悉随机过程。
第6章讲述信道的传播特性，包括衰落、时延扩展、角度扩展、弥散和均衡等。此外，对MIMO也进行了简单定义和描述。如果能对多径衰落有深入的理解，则可以更好地设计智能天线。第7章讨论各种不同的谱估计方法，包括Bartlett波束形成、PHD、特征结构方法MUSIC和ESPRIT。该章有助于理解阵列相关矩阵的特点，以及AOA如何可以被更精确地预测。此外，很多该章讨论的技术有助于更好地理解自适应方法。
第8章讲述智能天线的发展历史和如何计算最小化代价函数的权值。MMSE有助于理解迭代的方法（如LMS）。该章对多个迭代方法进行了讨论，并进行了数值比较，同时也分析了当前流行的算法，如恒模、采样矩阵求逆和共轭梯度法等。在讨论用不同的波形估计AOA时，该章介绍了波形分集的概念，该方法已经应用于MIMO通信和MIMO雷达。
第9章介绍测向和AOA估计。此外，本章还讨论在噪声环境下如何确定AOA的精度。第10章介绍一种新型的、可测量入射的三维电磁场矢量的矢量天线；如果可以精确地知道入射的电磁场矢量，仅需单一的天线就可以估计信道的AOA。第11章介绍可重配置天线阵，它由多个部分组成，可以通过开和关来实现天线的几何特征和行为的改变。这样，受损的天线可以通过改变波束形状来实现自愈。一种优化可重配置天线的方法就是遗传算法，该章给出基于MATLAB的数值例子，课后作业中的问题也需要用MATLAB来解，这也有助于加深对智能天线的理解。
本书的所有MATLAB代码都可以从网站（www.mhprofessional.com/）的本书页面下载，也可以作为后续工作的参考。这些代码都和各章的习题关联，并以sa＿ex#＿#.m 的方式命名，比如例8.4对应的代码为sa＿ex8＿4.m。本书中大多数的图都可以通过这些代码产生，相应的代码的命名方式为sa＿fig#＿#.m。如果对书中的某个图感兴趣，或者想要修改，则可以下载和使用相应的代码。例如，图2.1可以用sa＿fig2＿1.m产生。同时，也有产生各章习题答案的代码，命名为sa＿prob#＿#.m，例如习题5.2，相应的MATLAB代码为sa＿prob5＿2.m。
致指导老师
本书可用作高年级本科生和研究生的一学期教材，可根据学生的背景，适当处理本书的前几章内容。本书的预备知识包括本科的通信、电磁场和随机过程等课程。如果学生学习过本科的通信课程，而没有学习过随机过程课程，也能学习这门课程。但是本书要求学生修完高等工程数学，包括矩阵代数，如特征值和特征向量的计算。希望本书能为实践者提供一个很好的参考，为其加深对智能天线的理解打开新的大门。

原书前言
第1章　引言1
　1.1　智能天线是什么 1
　1.2　为什么会出现智能天线 2
　1.3　智能天线带来的好处是什么 2
　1.4　智能天线原理 3
　1.5　本书概览 4
　1.6　参考文献 4
第2章　电磁场基础 6
　2.1　麦克斯韦方程 6
　2.2　亥姆霍兹波方程 7
　2.3　直角坐标系中的传播 8
　2.4　球面坐标系中的传播 9
　2.5　电场边界条件 10
　2.6　磁场边界条件 12
　2.7　平面波反射和透射系数 13
　　2.7.1　垂直入射 13
　　2.7.2　斜入射 16
　2.8　平地上的传播 18
　2.9　刀口衍射 20
　2.10　参考文献 22
　2.11　习题 22
第3章　天线基础 25
　3.1　天线场区域 25
　3.2　功率密度 26
　3.3　辐射强度 28
　3.4　基本天线命名 29
　　3.4.1　天线方向图 29
　　3.4.2　天线瞄准线 31
　　3.4.3　主平面方向图 31
　　3.4.4　波束宽度 31
　　3.4.5　方向性 31
　　3.4.6　波束立体角 32
　3.4.7　增益 32
　　3.4.8　有效孔径 33
　3.5　Friis传输公式 33
　3.6　磁矢势和远场 34
　3.7　线性天线 35
　　3.7.1　无穷小偶极子 35
　　3.7.2　有限长偶极子 37
　3.8　环形天线 39
　　3.8.1　恒定相量电流环路 39
　3.9　参考文献 41
　3.10　习题 42
第4章　阵列基础 44
　4.1　线阵 44
　　4.1.1　二元阵列 44
　　4.1.2　均匀N元线阵 45
　　4.1.3　均匀N元线阵方向性 52
　4.2　阵列加权 55
　　4.2.1　波束导向和加权阵列 62
　4.3　环阵63
　　4.3.1　波束导向环阵 63
　4.4　直角面阵 64
　4.5　固定波束阵列 65
　　4.5.1　Butler矩阵 66
　4.6　固定旁瓣消除 67
　4.7　逆向阵列 69
　　4.7.1　无源逆向阵列 70
　　4.7.2　有源逆向阵列 70
　4.8　参考文献 71
　4.9　习题 72
第5章　随机变量和随机过程原理 74
　5.1　随机变量的定义 74
　5.2　概率密度函数 74
　5.3　期望和阶矩 76
　5.4　常见的概率密度函数 77
　　5.4.1　高斯密度 77
　　5.4.2　瑞利密度 78
　　5.4.3　均匀密度 78
　　5.4.4　指数密度 79
　　5.4.5　莱斯密度 80
　　5.4.6　拉普拉斯密度 81
　5.5　平稳性和遍历性 82
　5.6　自相关和功率谱密度 83
　5.7　协方差矩阵 84
　5.8　参考文献 85
　5.9　习题 85
第6章　传播信道特征 87
　6.1　平地模型 87
　6.2　多径传播机制 90
　6.3　传播信道基础 91
　　6.3.1　衰落 91
　　6.3.2　快衰落建模 92
　　6.3.3　信道脉冲响应 100
　　6.3.4　功率时延分布 101
　　6.3.5　功率时延分布的预测 103
　　6.3.6　功率角度分布 103
　　6.3.7　角度扩展预测 105
　　6.3.8　功率时延－角度分布 108
　　6.3.9　信道色散 108
　　6.3.10　慢衰落模型 109
　6.4　提高信号质量 110
　　6.4.1　均衡 111
　　6.4.2　分集 112
　　6.4.3　信道编码 114
　　6.4.4　MIMO 114
　6.5　参考文献 116
　6.6　习题 118
第7章　到达角估计 121
　7.1　矩阵代数基础 121
　　7.1.1　向量基础 121
　　7.1.2　矩阵基础 122
　7.2　阵列相关矩阵 125
　7.3　AOA估计方法 127
　　7.3.1　Bartlett AOA估计 127
　　7.3.2　Capon AOA估计 128
　　7.3.3　线性预测AOA估计 129
　　7.3.4　最大熵AOA估计 131
　　7.3.5　PHD AOA估计 131
　　7.3.6　最小模AOA估计 132
　　7.3.7　MUSIC AOA估计 134
　　7.3.8　Root－MUSIC AOA估计 136
　　7.3.9　ESPRIT AOA估计 141
　7.4　参考文献 144
　7.5　习题 145
第8章　智能天线 148
　8.1　概述 148
　8.2　智能天线的发展历程 149
　8.3　固定权重波束形成基础 150
　　8.3.1　最大化信干比 150
　　8.3.2　最小方均误差 155
　　8.3.3　最大似然 157
　　8.3.4　最小方差 159
　8.4　自适应波束形成 162
　　8.4.1　最小方均 162
　　8.4.2　采样矩阵求逆 164
　　8.4.3　递归最小二乘法 167
　　8.4.4　恒模 170
　　8.4.5　最小二乘恒模 173
　　8.4.6　共轭梯度法 176
　　8.4.7　扩展序列阵列权值 179
　　8.4.8　新SDMA接收机的描述 181
　8.5　参考文献 186
　8.6　习题 189
第9章　测向 192
　9.1　环形天线 192
　　9.1.1　早期使用环形天线测向 192
　　9.1.2　环形天线基本原理 192
　　9.1.3　垂直环天线 194
　　9.1.4　垂直环极化匹配 194
　　9.1.5　具有极化信号的垂直环 194
　　9.1.6　交叉环阵和Bellini－Tosi无线电测角仪 196
　　9.1.7　环阵校准 199
　9.2　Adcock偶极子天线阵列 200
　9.2.1　Watson-Watt测向算法 201
　9.3　应用于Adock和交叉环阵的现代测向 202
　9.4　定位 203
　　9.4.1　Stansfield算法 204
　　9.4.2　加权最小二次方解 206
　　9.4.3　置信误差椭圆 206
　　9.4.4　马氏统计 208
　9.5　参考文献/注释 210
　9.6　习题 211
第10章　矢量传感器 213
　10.1　简介 213
　10.2　矢量传感器天线阵列响应 215
　　10.2.1　单矢量传感器的导向矢量推导 215
　　10.2.2　矢量传感器阵列信号模型和导向矢量 218
　10.3　矢量传感器测向 219
　　10.3.1　矢量积测向 219
　　10.3.2　超分辨率测向 221
　10.4　矢量传感器波束形成 223
　10.5　矢量传感器的Cramer-Rao低限 227
　10.6　致谢 229
　10.7　参考文献 230
　10.8　习题 231
第11章　智能天线设计 233
　11.1　引言 233
　11.2　全局优化算法 234
　　11.2.1　算法说明 236
　11.3　优化智能天线阵 247
　　11.3.1　稀疏天线阵单元 247
　　11.3.2　优化阵单元位置 249
　11.4　自适应零限 253
　11.5　智能天线设计中的NEC 256
　　11.5.1　NEC2资源 256
　　11.5.2　设置NEC2仿真 257
　　11.5.3　将NEC2与MATLAB集成 260
　　11.5.4　示例：简单的半波偶极子天线261
　　11.5.5　单极阵示例 262
　11.6　演化天线设计 264
　11.7　当前和未来趋势 268
　　11.7.1　可重构天线和阵列 268
　　11.7.2　开源计算电磁学软件 268
　11.8　参考文献 268
　11.9　习题 271

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