淺談TD-SCDMA智能天線(xiàn)基本原理和測試方法

1 引言

作為第三代移動(dòng)通信系統標準之一的TD-SCDMA，采用了兩項最為關(guān)鍵的技術(shù)，即智能天線(xiàn)技術(shù)和聯(lián)合檢測技術(shù)。其中智能天線(xiàn)對于系統的作用主要包括：

（1）通過(guò)多個(gè)天線(xiàn)通道功率的最大比合并以及陣列信號處理，明顯提高了接收靈敏度；

（2）波束賦形算法使得基站針對不同用戶(hù)的接收和發(fā)射很高的指向性，因此用戶(hù)間的干擾在空間上能夠得到很好的隔離；

（3）波束賦形對用戶(hù)間干擾的空間隔離，明顯增加了CDMA的容量，結合聯(lián)合檢測技術(shù)，使得TD-SCDMA能夠實(shí)現滿(mǎn)碼道配置；

（4）通過(guò)波束賦形算法能夠實(shí)現廣播波束寬度的靈活調整，這使得TD-SCDMA在網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化過(guò)程中小區廣播覆蓋范圍的調整可以通過(guò)軟件算法實(shí)現（常規基站天線(xiàn)的廣播波束是固定不可變的，若想調整覆蓋范圍必須要更換天線(xiàn)），從而明顯提高了網(wǎng)優(yōu)效率；

（5）通過(guò)對天線(xiàn)陣進(jìn)行波束賦形使得下行信號能夠對準一個(gè)（或若干個(gè)不同位置的用戶(hù)）用戶(hù)，這等效于提高了發(fā)射機的有效發(fā)射功率（EIRP）。

CDMA系統中采用了大功率線(xiàn)性功放，價(jià)格比較昂貴；采用智能天線(xiàn)技術(shù)的TD系統可以采用多個(gè)小功率功放，從而降低了制造成本。

2 基本工作機理

根據波束成形的實(shí)現方式以及目前的應用情況，智能天線(xiàn)通?？煞譃槎嗖ㄊ悄芴炀€(xiàn)和自適應智能天線(xiàn)。

多波束智能天線(xiàn)采用準動(dòng)態(tài)預多波束的波束切換方式，利用多個(gè)不同固定指向的波束覆蓋整個(gè)小區，隨著(zhù)用戶(hù)在小區中的移動(dòng)，基站選擇其中最合適的波束，從而增強接收信號的強度。多波束智能天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是復雜度低、可靠性高，但缺點(diǎn)是它受天線(xiàn)波束寬度等參數影響較大，性能差于自適應智能天線(xiàn)。

自適應智能天線(xiàn)采用全自適應陣列自動(dòng)跟蹤方式，通過(guò)不同自適應調整各個(gè)天線(xiàn)單元的加權值，達到形成若干自適應波束，同時(shí)跟蹤若干個(gè)用戶(hù)，從而能夠對當前的傳播環(huán)境進(jìn)行最大程度上的匹配。自適應智能天線(xiàn)在理論上性能可以達到最優(yōu)，但是其實(shí)現結構和算法復雜度均明顯高于多波束智能天線(xiàn)。

TD-SCDMA系統采用的是自適應智能天線(xiàn)陣，天線(xiàn)陣列單元的設計、下行波束賦形算法和上行DOA預估是智能天線(xiàn)的核心技術(shù)。

智能天線(xiàn)陣的實(shí)現原理類(lèi)型于相控陣天線(xiàn)。下面我們以一維線(xiàn)陣相控陣天線(xiàn)為例。

首先，作為最基本的一維波束掃描相控陣天線(xiàn)是一個(gè)等間距排列的直線(xiàn)陣列（見(jiàn)圖1），其中陣列的每個(gè)輻射單元的激勵相位可以變化，即當相鄰輻射單元的激勵相位呈特定的等差級數變化時(shí)，陣列方向圖是通過(guò)對每一列天線(xiàn)單元的幅度相位激勵進(jìn)行調整實(shí)現波束掃描的。

圖1 一維線(xiàn)陣天線(xiàn)波束掃描原理

當波束的最大指向偏離法線(xiàn)方向為θ0時(shí)，則各個(gè)天線(xiàn)端口的激勵波程差為： ФN =（N-1）2πd sinθ0 /λ

其中：d為相鄰單元的間距，λ為天線(xiàn)工作頻率的波長(cháng)

智能（自適應）天線(xiàn)系統以陣列天線(xiàn)和自適應信號處理算法為基礎，能夠從多個(gè)多路徑信號和干擾信號中把有用信號區分出來(lái)，自動(dòng)地把主瓣最大值鎖定在有用的移動(dòng)來(lái)波信號方向上，并自動(dòng)減小干擾方向的付瓣電平。智能天線(xiàn)所具有的這種精確跟蹤能力和干擾抑制能力可以使在同一個(gè)小區內的幾個(gè)用戶(hù)使用相同的信道。

智能天線(xiàn)系統的工作機理概念可以用圖2 和圖3 予以描述。在圖2中，N個(gè)天線(xiàn)輻射單元接收到信號經(jīng)過(guò)射頻放大后，在基帶的數字波束成形（DBF）網(wǎng)絡(luò )中采用Wi的復權系數加權并進(jìn)行疊加合成，然后進(jìn)入接收機，其中DSP智能算法處理器根據N個(gè)天線(xiàn)輻射單元來(lái)波的幅度/相位關(guān)系預測出有用信號的方向。疊加合成得到最大的接收信號。在圖3中，DSP根據上述預測的有用信號方向以及預測的干擾信號方向，可以自適應產(chǎn)生合適的Wi復權系數，并激勵各個(gè)天線(xiàn)單元的輻射，從而將主瓣板對準有用信號，將零點(diǎn)對消。

圖2 智能天線(xiàn)上行接收原理

圖3 智能天線(xiàn)下行接收原理

一種典型的智能天線(xiàn)陣如圖4所示。它共有9個(gè)端口，中間的端口為校準口，其余的8個(gè)端口為天線(xiàn)端口。校準口的作用是用于校正智能天線(xiàn)陣在實(shí)際應用環(huán)境下的各接收（發(fā)射）通道到各列天線(xiàn)口面的相位差，其它八個(gè)端口分別連接到基站的收/發(fā)信機通道。

圖4 典型的定向智能天線(xiàn)陣

3 主要測試參數和典型測試方法

由于智能天線(xiàn)測試比普通天線(xiàn)要復雜得多，對智能天線(xiàn)的測試也比較復雜。以圖4給出的智能天線(xiàn)陣為例，我們可以將該天線(xiàn)的測量分為2類(lèi)：電路參數測量和輻射參數測量。

電路參數包括：各端口輸入阻抗、相鄰天線(xiàn)單元端口隔離度、各天線(xiàn)端口有源反射系數、校準口到各天線(xiàn)單元的幅度相位一致性。

輻射參數測試包括：各天線(xiàn)單元的方向圖和增益、典型業(yè)務(wù)波束的方向圖和增益；廣播波束的方向圖和增益。

由于電路參數指標為智能天線(xiàn)出廠(chǎng)必測指標，下面我們重點(diǎn)探討一下智能天線(xiàn)的電路參數測試項目和測試方法。一個(gè)8單元單極化智能天線(xiàn)陣的電路參數測試包括：

（1）相鄰端口的隔離度，即S12、 S23、 S34、 S45 、 … S78 的特性(不包括校準口)；

（2）校準口到各天線(xiàn)單元的幅相一致性，即S01、 S02、… 、S07 、S08 的幅度相位特性（Mag|S01|、| Mag|S02| 、Mag|S03| 、Mag|S04|、 Mag|S05|、Mag|S06|、Mag|S07| 、Mag|S08|；Pha|S01| 、Pha|S02|、 Pha|S03|、 Pha|S04|、 Pha|S05|、 Pha|S06|、Pha|S07 |、Pha|S08|）；

（3）各天線(xiàn)端口的無(wú)源反射系數（或無(wú)源回波損耗），即S00、S11、S22、… 、S33 、 S88 的特性；

（4）各天線(xiàn)端口的有源反射系數（或有源回波損耗），考慮單元之間的互耦和各單元的幅相激勵問(wèn)題。

根據下面的S參數激勵矩陣模型

（2.1）

可以推出各端口的有源反射系數為

（ 2.2）

進(jìn)行波束掃描的時(shí)候，對源進(jìn)行相位加權。測試的典型值給出一組：

（2.3）

一般的天線(xiàn)測試可以使用2端口矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀。而智能天線(xiàn)有8個(gè)天線(xiàn)端口和一個(gè)校準端口，且其測試項目和測試復雜度比普通天線(xiàn)要高很多，因此一般的2端口或4端口矢網(wǎng)很難滿(mǎn)足其測試要求。但是為了確保智能天線(xiàn)的性能，上面提到的測試項往往是天線(xiàn)研發(fā)和生產(chǎn)時(shí)必測的項目，因此我們需要尋求一種快速、全面的測量解決方案。

羅德與施瓦茨(RS)的 ZVT 是業(yè)界唯一的8端口矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀。它內置4個(gè)獨立的源，16個(gè)獨立接收通道，有著(zhù)極快的測量速度，因此是針對智能天線(xiàn)和相控陣天線(xiàn)測試的最佳選擇（見(jiàn)圖5）。它可以一次完成一個(gè)S88全矩陣測試，這對2端口和4端口矢網(wǎng)是不可能實(shí)現的。

圖5 用RS的8端口矢網(wǎng)ZVT測試智能天線(xiàn)

（2.4）

針對第1、2項測試，RS ZVT可一次性完成。