移動(dòng)通信中的天線(xiàn)設計介紹

一、前　　言

天線(xiàn)是移動(dòng)通信中不可缺少的組成部分，具有十分重要的作用，它位于收發(fā)信機和電磁波傳播空間之間，并在這兩者間實(shí)現有效的能量傳遞。通過(guò)設計天線(xiàn)的輻射特性，可以控制電磁能的空間分布，提高資源利用率，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量。尤其在3G的發(fā)展中，智能天線(xiàn)（Smart Antenna）更成為近來(lái)國際移動(dòng)通信界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。


二、移動(dòng)天線(xiàn)采用的關(guān)鍵技術(shù)

1．對稱(chēng)振子和天線(xiàn)陣

目前移動(dòng)通信中使用的天線(xiàn)形式主要是線(xiàn)天線(xiàn)，即天線(xiàn)輻射體的長(cháng)度l遠大于其直徑d，線(xiàn)天線(xiàn)的基礎是對稱(chēng)振子。當通過(guò)導線(xiàn)的高頻電流變化的頻率所確定的波長(cháng)遠大于該導線(xiàn)的長(cháng)度時(shí)，可以認為該導線(xiàn)上電流的振幅和相位是相同的，只是它的
數值隨時(shí)間t作正弦變化，這種短導線(xiàn)被稱(chēng)為電流元或赫茲偶極子，它可以作為獨立的天線(xiàn)或成為復雜天線(xiàn)的組成單元。復雜天線(xiàn)在空間的電磁場(chǎng)可以看作是許多電流元產(chǎn)生的電磁場(chǎng)迭加的結果。電流元的輻射功率是在單位時(shí)間內通過(guò)球面向外輻射的電磁能量平均值。輻射場(chǎng)的能量將不再返回波源，所以對于波源來(lái)說(shuō)是一種能量損耗。引入電路的概念，我們用等效電阻表示這部分輻射功率，則這個(gè)電阻就稱(chēng)為輻射電阻，電流元的輻射電阻為

RΣ＝80π2（l／λ）2（1）　　

通過(guò)積分計算可以得到電流元的方向性圖：當l／λ＜0．5時(shí)，隨著(zhù)l／λ的增大，方向性圖變得尖銳，并只有主瓣，主瓣垂直于振子軸；當l／λ＞0．5時(shí)，出現副瓣，隨著(zhù)l／λ的增大，原來(lái)的副瓣逐漸變成主瓣，而原來(lái)的主瓣變成副瓣；當l／λ＝1時(shí)，主瓣消失。這種方向性的變化主要是由于振子上電流分布的變化所引起的。

多個(gè)對稱(chēng)振子組合起來(lái)就構成天線(xiàn)陣。按照對稱(chēng)振子的排列方式，天線(xiàn)陣可以分為直線(xiàn)陣、平面陣和立體陣等，不同的排列有不同的陣因子。根據方向性相乘原理，采用同樣的對稱(chēng)振子作為天線(xiàn)陣的單元天線(xiàn)，只要改變排列位置或饋電相位，就可以得到不同的方向特性。移動(dòng)通信中基站高增益全向天線(xiàn)就是把振子作共軸排列，壓縮垂直面的波束寬度，而把輻射能量集中于與振子相垂直的方向上，以提高天線(xiàn)的增益。

2．天線(xiàn)的方向特性和增益

天線(xiàn)的方向特性可以用方向性圖來(lái)描述，但以數量來(lái)表示天線(xiàn)輻射電磁能量的集中程度則往往使用方向性系數D。它的定義是，在同樣輻射功率時(shí)，有方向性天線(xiàn)在最大輻射方向遠區某點(diǎn)的功率通量密度（單位面積上通過(guò)的電場(chǎng)功率，正比于電場(chǎng)強度的平方）與無(wú)方向性天線(xiàn)在該點(diǎn)的功率通量密度之比：

又由于天線(xiàn)本身的損耗非常小，可認為天線(xiàn)的輻射功率等于輸入功率，即天線(xiàn)效率η＝100％，則天線(xiàn)增益G＝η·D＝D，也就是說(shuō)天線(xiàn)增益和天線(xiàn)的方向性系數在數值上是相等的。

要提高天線(xiàn)的增益，在保持水平面上輻射特性不變的情況下，主要依靠減小垂直面內輻射的波瓣寬度。振子長(cháng)度的改變對增益的影響十分有限，天線(xiàn)陣是目前實(shí)現高增益的主要手段。直線(xiàn)陣是最簡(jiǎn)單最實(shí)用的全向天線(xiàn)陣，在與振子軸一致的同一軸線(xiàn)上，按一定間隔距離排列若干輻射振子，可以在垂直于軸線(xiàn)的平面上得到增強的輻射場(chǎng)。但是，要得到最佳的效果，必須適當選擇各振子間的間距和饋電的相位。作為輻射單元，可以用半波振子或在水平面有全向性能的其它輻射源，例如折合振子或各種同軸天線(xiàn)等。共軸天線(xiàn)陣是基站常用的高增益天線(xiàn)，它要求各輻射單元得到等幅同相的饋電，饋電方式有并饋和串饋兩種。另一種高增益全向天線(xiàn)是將多個(gè)定向天線(xiàn)分別定向于不同方位，構成近似的全向輻射。但是，當要把天線(xiàn)架設在大型鐵塔的中段時(shí)，由于受塔身反射的影響，共軸天線(xiàn)陣的方向性會(huì )被破壞，這時(shí)，圍繞塔身合理布置的定向天線(xiàn)陣可以解決這一問(wèn)題。更重要的是，在蜂窩通信系統中進(jìn)行頻率復用時(shí)，定向天線(xiàn)可以更好地降低同、鄰頻干擾，提高頻率復用率。120°角反射器或120°平面反射器可用于120°扇形小區中，60°角反射器可用于
60°扇形小區中。

全向天線(xiàn)一般用于移動(dòng)用戶(hù)數較少的網(wǎng)絡(luò )，或用戶(hù)密度較低的區域，例如市郊、農村等地區，它的水平面方向圖應是360°，垂直面半功率波束寬度根據天線(xiàn)的增益不同可以有13°或6．5°。定向天線(xiàn)一般用于移動(dòng)用戶(hù)密度較高的區域，例如市區、車(chē)站、商業(yè)中心等，它的水平面半功率波束寬度一般有65°、90°、105°、120°，垂直面半功率波束寬度根據天線(xiàn)的增益不同可以有34°、16°或8°等。

3．采用分集技術(shù)提高增益

由于傳播環(huán)境的惡劣，無(wú)線(xiàn)信號會(huì )產(chǎn)生深度衰落和多普勒頻移等，使接收電平下降到熱噪聲電平附近，相位亦隨時(shí)間產(chǎn)生隨機變化，從而導致通信質(zhì)量下降。對此，我們可以采用分集接收技術(shù)減輕衰落的影響，獲得分集增益，提高接收靈敏度。分集天線(xiàn)有空間分集、方向分集、極化分集和場(chǎng)成分分集等?？臻g分集是利用多副接收天線(xiàn)來(lái)實(shí)現的。在發(fā)端采用一副天線(xiàn)發(fā)射，而在接收端采用多副天線(xiàn)接收。接收端天線(xiàn)之間的距離d≥λ／2（λ為工作波長(cháng)），以保證接收天線(xiàn)輸出信號的衰落特性是相互獨立的，也就是說(shuō)，當某一副接收天線(xiàn)的輸出信號很低時(shí)，其他接收天線(xiàn)的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現幅度低的現象，經(jīng)相應的合并電路從中選出信號幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線(xiàn)輸出信號。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸的可靠性。該技術(shù)在模擬頻分移動(dòng)通信系統（FDMA）、數字時(shí)分系統（TDMA）及碼分系統（CDMA）中都有應用。

空間分集接收的優(yōu)點(diǎn)是分集增益高，缺點(diǎn)是還需另外一根單獨的接收天線(xiàn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，近來(lái)又生產(chǎn)出定向雙極化天線(xiàn)。在移動(dòng)信道中，兩個(gè)在同一地點(diǎn)、極化方向相互正交的天線(xiàn)發(fā)出的信號呈現出互不相關(guān)衰落特性。利用這一特點(diǎn)，在發(fā)端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩副發(fā)射天線(xiàn)，在收端同一地點(diǎn)裝上垂直極化和水平極化兩副接收天線(xiàn)，就可以得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量Ex和Ey。所謂定向雙極化天線(xiàn)就是把垂直極化和水平極化兩副接收天線(xiàn)集成到一個(gè)物理實(shí)體中，通過(guò)極化分集接收來(lái)達到空間分集接收的效果，所以極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它只需一根天線(xiàn)，結構緊湊，節省空間，缺點(diǎn)是它的分集接收效果低于空間分集接收天線(xiàn)，并且由于發(fā)射功率要分配到兩副天線(xiàn)上，將會(huì )造成3 dB的信號功率損失。

分集增益依賴(lài)于基站天線(xiàn)間不相關(guān)特性的好壞，通過(guò)在水平或垂直方向上天線(xiàn)位置間的分離來(lái)實(shí)現空間分集?？臻g上的位置分離保證兩面接收天線(xiàn)分別接收不同路徑來(lái)的移動(dòng)臺信號，同時(shí)也使兩面天線(xiàn)間滿(mǎn)足一定隔離度的要求。若采用交叉極化天線(xiàn)，同樣需要滿(mǎn)足這種隔離度要求。對于極化分集的雙極化天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)中兩個(gè)交叉極化輻射源的正交性是決定無(wú)線(xiàn)信號上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴(lài)于雙極化天線(xiàn)中兩個(gè)交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區域內提供了相同的信號場(chǎng)強。兩個(gè)交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個(gè)120°扇區及切換重疊區內保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線(xiàn)所取得的覆蓋效果。大多數交叉極化天線(xiàn)在天線(xiàn)場(chǎng)圖的主瓣方向具有很好的電氣特性，但對于基站天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，還要求在小區的邊緣及切換重疊區內仍能保持較好的交叉極化特性。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線(xiàn)在整個(gè)扇區范圍內均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線(xiàn)在整個(gè)扇區范圍內的正交特性，即兩個(gè)分集接收天線(xiàn)端口信號的不相關(guān)性，決定了雙極化天線(xiàn)總的分集效果。為了在雙極化天線(xiàn)的兩個(gè)分集接收端口獲得較好的信號不相關(guān)特性，兩個(gè)端口之間的隔離度通常要求達到30 dB以上。

分集天線(xiàn)把多徑信號分離出來(lái)，使其互不相干，然后通過(guò)合并技術(shù)將分離出來(lái)的信號合并起來(lái)，獲得最大的信噪比收益。常用的合并方法有選擇性合并、切換合并、最大比合并、等增益合并等，本文不作詳細論述。

三、智能天線(xiàn)技術(shù)

1．傳統天線(xiàn)的局限性

近年來(lái)，隨著(zhù)通信需求的不斷發(fā)展，智能天線(xiàn)技術(shù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，它幫助無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商達到了2個(gè)極具價(jià)值的目的：提供更高的數據傳輸速率和增加了網(wǎng)絡(luò )的容量。在GPRS、EDGE和3G網(wǎng)絡(luò )中，運營(yíng)商開(kāi)始利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )為用戶(hù)提供分組數據業(yè)務(wù)。與話(huà)音業(yè)務(wù)一樣，數據業(yè)務(wù)要達到規定的傳輸速率同樣需要一定質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)信號，這就取決于網(wǎng)絡(luò )的載干比（C／I）。載干比過(guò)低將嚴重影響傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量；而在GSM網(wǎng)絡(luò )的中后期，系統容量不斷增加，小區不斷分裂，而隨之增加的干擾則阻礙了系統容量的進(jìn)一步增加，傳統的全向天線(xiàn)和定向天線(xiàn)已不能滿(mǎn)足需要。智能天線(xiàn)利用數字信號處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束，為每個(gè)用戶(hù)提供一個(gè)窄的定向波束，使信號在有效的方向區域內發(fā)送和接收，充分利用信號的有效發(fā)射功率，降低信號全向發(fā)射帶來(lái)的電磁污染和相互干擾，從而提高了載干比，而載干比提高了，就可以提供更高的數據傳輸速率和更大的網(wǎng)絡(luò )容量。

干擾是蜂窩系統性能和容量限制的重要因素，它引起串音、通話(huà)丟失或通話(huà)信號跌落并使用戶(hù)心煩意亂，最重要的是干擾限制了經(jīng)營(yíng)商可復用頻率的緊密度，因此也限制了從固定射頻頻譜中提取通信承載容量的程度。干擾可來(lái)自另一移動(dòng)終端、在同一頻率工作的其它蜂窩站址、或泄入分配頻譜的帶外射頻能量。蜂窩干擾最通常的種類(lèi)有同信道干擾和相鄰信道干擾。同信道干擾是由使用同一頻率的非相鄰蜂窩的發(fā)射引起的。這種干擾在接近蜂窩邊界時(shí)最明顯，此時(shí)與使用相同頻率的鄰近蜂窩的物理分隔處于最低程度。相鄰信道干擾是由使用相鄰頻率的鄰近蜂窩對用戶(hù)信道的漏泄而造成的。在相鄰信道，用戶(hù)在極靠近電話(huà)用戶(hù)接收機處工作時(shí)，或者用戶(hù)信號大大弱于相鄰信道用戶(hù)的信號時(shí)會(huì )發(fā)生這種情況。載干比是通話(huà)質(zhì)量的重要標志，對用戶(hù)而言，較高的C／I比就是較低的干擾、更少的掉話(huà)以及改善的音頻質(zhì)量；對經(jīng)營(yíng)商而言，較高的C／I比可以使信號距離延伸以及采用更為緊密的頻率復用方式，因此增加了整個(gè)系統的容量。

2．多波束智能天線(xiàn)

智能天線(xiàn)是一個(gè)天線(xiàn)陣列。它由N個(gè)天線(xiàn)單元組成，每個(gè)天線(xiàn)單元有M套加權器，可以形成M個(gè)不同方向的波束，用戶(hù)數M可以大于天線(xiàn)單元數N。根據采用的天線(xiàn)方向圖形狀，智能天線(xiàn)可以分為2類(lèi)：多波束天線(xiàn)和自適應天線(xiàn)陣。

多波束天線(xiàn)利用多個(gè)并行波束覆蓋整個(gè)用戶(hù)區，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度隨陣元數目而定。隨著(zhù)用戶(hù)在小區中的移動(dòng)，基站相應選擇不同的波束，使接收信號最強。但是由于它的波束不是任意指向的，而只能對當前傳輸環(huán)境進(jìn)行部分匹配。當用戶(hù)不在固定波束的中心處，而處于波束邊緣時(shí)，且干擾信號處于波束中心時(shí)，接收效果最差，所以多波束天線(xiàn)不能實(shí)現信號最佳接收。但與自適應天線(xiàn)陣相比，它具有結構簡(jiǎn)單、無(wú)須判斷用戶(hù)信號到達方向以及響應速度快等優(yōu)點(diǎn)。更主要的是，上行鏈路的同一波束也可用于下行鏈路，從而在下行鏈路上也能提供增益。但是由于扇形失真，如波束間方向圖的區別，多波束天線(xiàn)獲得的增益與角度成非均勻分布。它在波束間的區別有時(shí)會(huì )達到2 dB，還有可能由于多徑或干擾的影響，它們鎖定在錯誤的波束上，因為它們無(wú)法抑制和有用信號處在同一波束內的干擾信號。多波束天線(xiàn)又稱(chēng)波束切換天線(xiàn)，實(shí)際上我們可將其看作是介于扇形定向天線(xiàn)與全自適應天線(xiàn)間的一種技術(shù)。多波束天線(xiàn)中值得研究的有以下內容：如何劃分空域，即確定波束的問(wèn)題，包括數目和形狀；挑選波束的準則；波束跟蹤的實(shí)現，主要指的是實(shí)現快速搜索算法等；切換波束與自適應波束成型的理論關(guān)系等。

3．自適應天線(xiàn)陣

自適應天線(xiàn)陣（Adaptive Antenna Array），最初應用于雷達、聲納、軍事方面，主要用來(lái)完成空間濾波和定位，如相控陣雷達就是一種較簡(jiǎn)單的自適應天線(xiàn)陣。自適應天線(xiàn)是通過(guò)反饋控制方式連續調整本身方向圖的天線(xiàn)陣，其方向圖與變形蟲(chóng)相似，沒(méi)有固定的形狀，隨著(zhù)信號及干擾而變化。一般采用4～16個(gè)天線(xiàn)陣元結構，陣元間距1／2波長(cháng)，間距過(guò)大則各接收信號相關(guān)程度降低，間距過(guò)小則會(huì )在方向圖形成不必要的副瓣。智能天線(xiàn)采用數字信號處理技術(shù)（DSP）識別用戶(hù)信號到達方向，并在此方向形成天線(xiàn)主波束，提供空間信道。由于自適應天線(xiàn)能形成不同的天線(xiàn)方向圖，并且可以用軟件設計完成自適應算法更新，自適應地調整方向圖，可以在不改變系統硬件配置的前提下，增加系統靈活性，所以又被稱(chēng)為軟件天線(xiàn)。自適應天線(xiàn)陣的缺點(diǎn)是算法較復雜，動(dòng)態(tài)響應速度較慢。

自適應天線(xiàn)研究的核心是自適應算法，目前已提出很多著(zhù)名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類(lèi)。非盲算法是指需借助參考信號（導頻序列或導頻信道）的算法，此時(shí)收端知道發(fā)送的是什么，進(jìn)行算法處理時(shí)要么先確定信道響應再按一定準則，比如最優(yōu)的迫零準則（Zero Forcing）確定各加權值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調整權值，以使智能天線(xiàn)輸出與已知輸入最大相關(guān)，常用的相關(guān)準則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法則無(wú)需發(fā)端傳送已知的導頻信號，判決反饋算法（Decision Feedback）是一類(lèi)較特殊的盲算法，收端自己估計發(fā)送的信號并以此為參考信號進(jìn)行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實(shí)際傳送的信號間有較小差錯。盲算法一般利用調制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無(wú)關(guān)的一些特征，并調整權值以使輸出滿(mǎn)足這種特性，常見(jiàn)的是各種基于梯度的使用不同約束量的算法。非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但需浪費一定的系統資源，將兩者結合的有一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調整，這樣做一方面可綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，一方面也是與實(shí)際的通信系統相一致的，因為通常導頻符不會(huì )時(shí)時(shí)發(fā)送而是與對應的業(yè)務(wù)信道時(shí)分復用的。

需要注意的是，智能天線(xiàn)對每個(gè)用戶(hù)的上行信號均采用賦形波束，但當用戶(hù)沒(méi)有發(fā)射，僅處于接收狀態(tài)時(shí)，又是在基站的覆蓋區域內移動(dòng)（空閑狀態(tài)），基站是不可能知道該用戶(hù)所處的方位，只能使用全向波束進(jìn)行發(fā)射（如系統中的同步、廣播、尋呼等物理信道），即基站必須能提供全向和定向的賦形波束。這樣一來(lái)，對全向信道來(lái)說(shuō)，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統設計時(shí)所必須考慮的。

4．智能天線(xiàn)的應用實(shí)例

目前已經(jīng)有一些智能天線(xiàn)投入了商用，如上海聯(lián)通使用了美國Metawave公司的SpotLight GSM智能天線(xiàn)系統，取得了良好的效果。SpotLight GSM天線(xiàn)屬于多波束智能天線(xiàn)，它用4個(gè)30°天線(xiàn)代替一個(gè)120°扇面天線(xiàn)。系統依靠專(zhuān)利的最佳波束選擇算法轉換發(fā)射和接收波束。射頻能量在每一時(shí)隙在一指定的30°波束內而不是整個(gè)120°扇面中作下行線(xiàn)發(fā)射，所以同信道干擾在鄰近蜂窩中大大減少。同樣，對接收同信道干擾的開(kāi)放波束也有效地從120°減到30°。這樣，相對于單一120°扇面天線(xiàn)，30°天線(xiàn)有效地降低了4倍的同信道干擾，理論上相當于6 dB的C／I改善。這個(gè)增益使得通信信道的上行（手機－基站）和下行（基站－手機）都得到了改善。在上行方面，安裝了智能天線(xiàn)系統的小區的載干比得到了增加；而在下行方面，原有的那些可視范圍內的同頻小區的載干比得到了增加。如果要保持原有的C／I值，則可以采用更密集的頻率復用方式，從而提高了系統容量。SpotLight GSM執行波束轉換，無(wú)須與基站的額外通信，所以SpotLight GSM系統的安裝不增加基站通信負荷。事實(shí)上，由于無(wú)效試呼以及干擾或不良覆蓋引起的重撥減少，基站處理器的負荷也降低了。此外，在測試中還發(fā)現在使用了智能天線(xiàn)的小區中，不僅小區中的網(wǎng)絡(luò )容量和質(zhì)量都得到有效地提高，小區中手機的平均接收功率和發(fā)射功率都下降了2～3 dB，尤其是手機的發(fā)射功率，下降為原來(lái)的54％，而手機以滿(mǎn)功率發(fā)射的比率也從22％下降到8％。SpotLight GSM智能天線(xiàn)通過(guò)降低手機的收發(fā)功率減少了手機電磁波對人體的輻射，并通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò )的容量和質(zhì)量，減少了小區中所需建立的新基站，因此有“綠色天線(xiàn)”之美稱(chēng)。

四、結　束　語(yǔ)

天線(xiàn)作為移動(dòng)通信的重要組成部分，在提高網(wǎng)絡(luò )性能、改善網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量等方面起著(zhù)巨大的作用。天線(xiàn)技術(shù)發(fā)展迅速，天線(xiàn)的分集技術(shù)是提高系統增益的一個(gè)重要手段，分集方式有空間分集和極化分集等多種；為了工程和維護的方便，出現了可電調傾角的天線(xiàn)；為了保證天線(xiàn)方向圖不變形扭曲，發(fā)展了內置傾角天線(xiàn)。尤其近年的智能天線(xiàn)更是代表了移動(dòng)通信天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向，它已經(jīng)在實(shí)際應用中表現出了極大的優(yōu)勢，但在加快波束賦型響應速度及切換等方面還需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。