原書前言
我們生活在智能技術(shù)的時代：智能卡、智能手機(jī)、智能環(huán)境、智能計量、智能建筑、智能傳感器，以及智能天線。智能天線曾經(jīng)也叫自適應(yīng)天線，并在文獻(xiàn)里廣為報道。早在20世紀(jì)50年代，許多公開的文獻(xiàn)揭示了增強(qiáng)天線陣性能的自適應(yīng)算法。隨著技術(shù)的突破，現(xiàn)在我們有了智能天線，包括天線陣，但其通常根本不像天線陣。許多現(xiàn)代天線已經(jīng)在我的書Frontiers in Antennas: Next Generation Design & Engineering（McGraw-Hill，2011）中有詳細(xì)的描述。我對智能天線的定義是：智能自優(yōu)化的交互式天線。有時，這樣的天線也被描述為感知天線。整體上，這些天線涵蓋從簡單的波束導(dǎo)向天線陣到自治愈天線。換句話說，它們可能并不是那么智能。智能天線可以讓用戶在噪聲和干擾的環(huán)境中進(jìn)行特定的信號搜索。對于自治愈的天線，當(dāng)天線受損的時候，它可以改進(jìn)性能以減小性能的損失。
對于一些簡單的智能天線，它可以測量6個扇區(qū)的電磁場并檢測信號的到達(dá)角。不管簡單還是復(fù)雜，智能天線總是能在環(huán)境變化的時候用算法來優(yōu)化性能。本書第２版不僅僅局限于無線通信，因為我認(rèn)為這對在持續(xù)演進(jìn)的科學(xué)來說太局限，因為智能天線的應(yīng)用不僅僅局限于無線通信，所以這次的修訂增加了3章：第9章，測向；第10章，矢量傳感器；第11章，智能天線設(shè)計。盡管我在信號處理、雷達(dá)、通信和電磁場等領(lǐng)域有深厚的背景，也在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界工作了多年，但我很難找到一本可以適合不同領(lǐng)域的人員共同參考的智能天線教科書。此外，很少有書籍涉及智能天線的主題，因為智能天線涉及多種不同規(guī)則的融合，在相應(yīng)的領(lǐng)域需要融會貫通。所以，本書的最重要的目標(biāo)就是呈現(xiàn)這些不同的科學(xué)和工程理論的基礎(chǔ)，以及應(yīng)用在智能天線時如何融合。為了理解智能天線的特征，讀者需要熟悉電磁場、天線、陣列處理、傳播、信道特征、隨機(jī)過程、譜估計和自適應(yīng)方法。所以，在深入研究智能天線技術(shù)之前，本書可以很好地作為一個基礎(chǔ)。
本書共包含11章，第1章介紹智能天線的背景、出發(fā)點、必要性和意義。第2章介紹電磁場的反射、衍射和傳播，這些概念有助于理解路徑增益因子、覆蓋和衰落，以及在多個天線陣元間的多徑傳播和相位的關(guān)系。第3章介紹基本的天線理論，包括天線的基本表征，如波束寬度、增益，天線方向圖和有效孔徑等。Friis傳輸方程有助于理解球面擴(kuò)展和接收的相關(guān)問題，所以也有相關(guān)的討論。最后，對偶極子和天線環(huán)的特征也有所描述，以幫助讀者理解單個的天線陣元如何影響整個天線陣的性能。
第4章重點介紹天線陣。陣列現(xiàn)象學(xué)有助于理解天線的形狀和天線的方向圖之間的關(guān)系，包括線陣、環(huán)陣和面陣。陣列加權(quán)有助于讀者理解天線陣列如何影響輻射方向圖。特定的天線陣列，如固定波束天線陣、波束導(dǎo)向天線陣、Butler陣、逆向天線陣等，在該章有深入的討論。這樣的安排對于理解智能天線的性能和限制是非常有幫助的。
第5章介紹隨機(jī)變量和隨機(jī)過程的基礎(chǔ)。多徑信號和噪聲都具有隨機(jī)化的特征，信道的時延和到達(dá)角也都是隨機(jī)變量。這樣，基本的隨機(jī)過程的知識有助于理解到達(dá)信號的特征，以及如何處理陣列的輸入信號。許多智能天線的應(yīng)用要求計算相關(guān)矩陣。為了幫助讀者理解相關(guān)矩陣、預(yù)測矩陣，以及如何計算最優(yōu)陣列加權(quán)，隨機(jī)過程的遍歷性和平穩(wěn)性的知識很重要。所以，在學(xué)習(xí)智能天線課程之前，需要熟悉隨機(jī)過程。
第6章講述信道的傳播特性，包括衰落、時延擴(kuò)展、角度擴(kuò)展、彌散和均衡等。此外，對MIMO也進(jìn)行了簡單定義和描述。如果能對多徑衰落有深入的理解，則可以更好地設(shè)計智能天線。第7章討論各種不同的譜估計方法，包括Bartlett波束形成、PHD、特征結(jié)構(gòu)方法MUSIC和ESPRIT。該章有助于理解陣列相關(guān)矩陣的特點，以及AOA如何可以被更精確地預(yù)測。此外，很多該章討論的技術(shù)有助于更好地理解自適應(yīng)方法。
第8章講述智能天線的發(fā)展歷史和如何計算最小化代價函數(shù)的權(quán)值。MMSE有助于理解迭代的方法（如LMS）。該章對多個迭代方法進(jìn)行了討論，并進(jìn)行了數(shù)值比較，同時也分析了當(dāng)前流行的算法，如恒模、采樣矩陣求逆和共軛梯度法等。在討論用不同的波形估計AOA時，該章介紹了波形分集的概念，該方法已經(jīng)應(yīng)用于MIMO通信和MIMO雷達(dá)。
第9章介紹測向和AOA估計。此外，本章還討論在噪聲環(huán)境下如何確定AOA的精度。第10章介紹一種新型的、可測量入射的三維電磁場矢量的矢量天線；如果可以精確地知道入射的電磁場矢量，僅需單一的天線就可以估計信道的AOA。第11章介紹可重配置天線陣，它由多個部分組成，可以通過開和關(guān)來實現(xiàn)天線的幾何特征和行為的改變。這樣，受損的天線可以通過改變波束形狀來實現(xiàn)自愈。一種優(yōu)化可重配置天線的方法就是遺傳算法，該章給出基于MATLAB的數(shù)值例子，課后作業(yè)中的問題也需要用MATLAB來解，這也有助于加深對智能天線的理解。
本書的所有MATLAB代碼都可以從網(wǎng)站（www.mhprofessional.com/）的本書頁面下載，也可以作為后續(xù)工作的參考。這些代碼都和各章的習(xí)題關(guān)聯(lián)，并以sa＿ex#＿#.m 的方式命名，比如例8.4對應(yīng)的代碼為sa＿ex8＿4.m。本書中大多數(shù)的圖都可以通過這些代碼產(chǎn)生，相應(yīng)的代碼的命名方式為sa＿fig#＿#.m。如果對書中的某個圖感興趣，或者想要修改，則可以下載和使用相應(yīng)的代碼。例如，圖2.1可以用sa＿fig2＿1.m產(chǎn)生。同時，也有產(chǎn)生各章習(xí)題答案的代碼，命名為sa＿prob#＿#.m，例如習(xí)題5.2，相應(yīng)的MATLAB代碼為sa＿prob5＿2.m。
致指導(dǎo)老師
本書可用作高年級本科生和研究生的一學(xué)期教材，可根據(jù)學(xué)生的背景，適當(dāng)處理本書的前幾章內(nèi)容。本書的預(yù)備知識包括本科的通信、電磁場和隨機(jī)過程等課程。如果學(xué)生學(xué)習(xí)過本科的通信課程，而沒有學(xué)習(xí)過隨機(jī)過程課程，也能學(xué)習(xí)這門課程。但是本書要求學(xué)生修完高等工程數(shù)學(xué)，包括矩陣代數(shù)，如特征值和特征向量的計算。希望本書能為實踐者提供一個很好的參考，為其加深對智能天線的理解打開新的大門。