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）2πdsinθ0/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 function ImgZoom(Id)//重新設置圖片大小 防止撐破表格 { var w = $(Id).width; var m = 650; if(w

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。