淺談智能天線技術及應用

2019-11-03 09:26:58

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林華芳徐明遠昆明理工大學　　【摘要】本文簡述了智能天線的工作原理以及智能天線的幾項關鍵技術：天線陣列波達方向的估計，當信號進入天線陣列時波束形成的方法。簡要介紹了智能天線的優點，并由仿真結果展示了智能天線的應用。

　　1 概述

　　無線通信技術在不斷發展。有限的無線頻率資源面臨著不斷增長的通信需求，智能天線可以在某種程度上緩解這一矛盾。智能天線系統能夠利用多個天線陣元的組合進行信號處理，自動調整發射或接收方向圖，以針對不同的信號環境而達到最佳性能。

　　智能天線(smart antenna)和碼分多址(Code Division Multiple access，CDMA)通信系統是無線通信發展比較快的兩大新興領域。碼分多址(CDMA)使多個無線用戶在同一時刻可以共享同一頻帶，這項技術充分有效地利用了有限的頻譜資源，智能天線和碼分多址(CDMA)技術，在未來無線通信領域將扮演重要的角色并將引起一場革命。

　　2 智能天線技術

　　全向天線不僅是增益不高，而且對各種信號不加區別的接收，使得通信質量大為降低。定點無線通信采用定向天線，大幅度的改善了通信質量。面對眾多移動用戶的公眾通信網基站和專用移動通信網，采用天線指向（即波束）可變的天線（智能天線），可以使移動通信的通信質量得到很大的改善。

　　智能天線的基本工作原理是把具有相同極化特性、各向同性及增益相同的天線陣元，按一定的方式排列，構成天線陣列。構成陣列的陣元可按任意方式排列，通常是按直線等距、圓周等距或平面等距排列，其間距通常取工作波長的一半，并且取向相同。如圖1和圖2所示：

圖1 等距離五陣元直線陣圖2 等距離八陣元圓線陣圖3 七單元直線陣的wi變化圖

　　由于遠方傳來的電磁波（可視為平面波），到達各個陣元時所走的距離不同，從而帶來不同的相位差

。這里θ是入射波方向與陣元和參考點連線（長△di角。λ是波長。在各個陣元上形成了與參考點具有不同相位差的信號。在天線陣列的輸出信號y所有陣元輸出信號xi疊加。

將入射到天線的電磁波的入射角為變量，天線陣列的輸出端量為函數作成圖就是天線的方向圖。

　　為了能夠調節天線的方向圖以滿足工作的需要，通常是在每個陣元的輸出端加上一個權因子控制器wi（它的位置請參看圖6）。用它改變每個陣元輸出信號的幅度和相位，以實現改變天線陣的方向圖。這時天線陣列的輸出信號y為：

。圖3表示了七單元直線陣的wi變化圖，七個wi同時變化的結果，使得天線陣輸出的方向圖（圖7）的主波瓣指向從380到1420變化。

　　按照對權因子控制器wi控制方式的不同，智能天線可分為切換波束系統和自適應天線系統。切換波束系統（Switched Beam Systems）是由天線陣列形成一系列固定的波束，由接收機選擇最能改善信號和抑制干擾的波束進行接收。由于其技術復雜程度較低，容易實現。但是，切換波束系統也存在一些局限：1）對于那些波達方向與期望接收分量方向十分接近的多徑分量，系統無法保證期望分量免受其干擾。2）一般無法充分利用多徑分集合并相干多徑分量。圖4是切換波束系統的框圖。圖5是七單元直線陣經波束形成網絡后形成的九個波束。可以供接收機選擇切換使用。

圖4 切換波束系統框圖圖5 七單元直線陣形成的九個波束

　　自適應天線系統（Adaptive Antenna Systems）是能夠針對噪聲、干擾和多徑（Multipath,在發射機和接收機之間存在多條無線路徑）而動態改變天線方向圖的一個陣列，它能夠實時改變方向圖以跟蹤用戶。復雜的自適應天線系統應具備能夠區分期望信號和非期望信號的能力。其工作原理是：自適應天線系統中的微處理器將解調出來的信號作為基準信號，將它與天線陣列的輸出相減，得出誤差信號，反饋控制網絡根據誤差信號的大小決定對各個天線陣元輸出信號加權量wi的動態控制。方法之一就是，使用迭代的方法，以平方平均誤差最小為目標，逐次更新w的取值，逐漸達到最佳，實現自適應的波束形成。在特定方向具有盡量高的增益及干擾源方向有盡量低的增益。圖6是自適應天線原理框圖，圖7是單信號以 =60度角入射天線陣時，七單元直線陣自適應調整后形成的方向圖。

圖6 自適應天線原理眶圖圖7 單信號入射時形成的方向圖

　　波達方向DOA （Direction Of Arrival）的估計是智能天線工作的基礎，是陣列信號處理的重要應用之一。當有多個電磁波從不同方向到達天線陣時，每個陣元上都有多個電磁波產生的信號，這些信號因為入射方向不同，在各個陣元上有不同的相位延遲分布。即在陣列的輸出端是每個陣元所接收到的多個信號的總疊加。以此為根據經過矩陣運算，得出相應的波達方向估計圖。圖8是在八個陣元的等距離圓線陣上進行五個信號（分別從300；900；1800；2400及2700方向來的信號）的波達方向估計的仿真（MUSIC法）試驗結果。

圖8 五信號的波達方向估計圖9 五信號波束形成

　　獲得波達方向的估計以后，波束形成是智能天線工作的重要內容。波束形成的任務是希望在接收信號到來的方向形成盡量高的增益；最大限度的抑制干擾信號。如：當有多個（N個）信號輸入時，其中有2個信號是我們關心的，則在該方向應形成盡量高的增益，而在其他的N-2個信號方向要進行抑制。如圖9所示（是五個不同方向的信號到達八陣元等距圓陣的仿真結果），在900和2400方向形成了盡量高的增益，在300、1809、2700方向信號增益為0，形成尖銳的零陷。

　　對于發射天線的波束形成，一方面依靠接收信號的方向信息，另一方面考慮到收發頻率的不同為方向估計帶來的誤差。

　　3 智能天線的優點及應用

　　智能天線可以按通信的需要在有用信號的方向提高增益，在干擾源的方向降低增益。因此，智能天線系統的應用可以帶來如下好處：

　　在通信網中通信覆蓋距離取決于發射功率、接收靈敏度、傳輸損耗、天線增益。在基站，手機發射功率和接收靈敏度不變的情況下，通過提高基站天線在通信方向的增益，增加通信覆蓋距離。在建網初期，小區內用戶不多，使用智能天線能擴展通信距離，擴大小區半徑，減少基站的數目，也減少了無線系統安裝初期的建設費用。隨著用戶的增加，進行小區分裂減少基站的覆蓋范圍后，因為智能天線的應用可以提高載干比，降低用戶的發射功率，降低系統的干擾。另一方面，由于降低干擾可以更加頻繁的重復使用頻率，又可以提高系統的容量。

　　無線信道中的多徑，能導致衰落和時間擴散，智能天線可以分離來自不同方向的多徑信號，通過RAKE接收技術提取有用信號，然后將其疊加，不但減輕了多徑的影響，甚至可以利用多徑所固有的分集效應改善鏈路的質量。

　　CDMA系統有嚴格的功率控制要求，對用戶的地面分布特別敏感。智能天線能夠分離不同的上行信號，以降低對功率控制的要求，并且能夠實時調整方向，從而緩解用戶地理分布不均的矛盾。

　　天線陣列的信號處理是智能天線的基礎也是作為信號處理的一個重要分支，在通信、雷達、電子對抗、地震勘探、射電天文等領域獲得了廣泛應用和迅速發展。它包括：

　　信源定位——確定陣列到信源的仰角和方位角，甚至距離(若信源位于近場)；

　　信源分離——確定各個信源發射的信號波形。各個信源可從不同方向到達陣列，即使它們在時域和頻域是疊加的；

　　信道估計：確定信源與陣列之間的傳輸信道的參數(多徑參數)。

　　近年來，無線本地環路WLL (Wireless Local Loop)的蓬勃發展使人們對智能天線刮目相看，它的無線基礎設施安裝方便、價格低廉。WLL系統是為固定用戶服務而不是為移動用戶服務的，它的目的是為居民和商業用戶提供有線質量的語音和數據業務。采用CDMA 和智能天線技術的新興的WLL系統可以提高覆蓋距離，增加可靠性和增大容量。智能天線使CDMA系統更有效的利用無線頻譜，為業務密集的區域及無線寬帶接入提供了高度的靈活性。第三代移動通信系統的標準之一：中國的TD—SCDMA初步實現了環形8陣元自適應天線。

智能天線是一門年輕的學科，也是一項新興的產業，它的發展將會極大的推動通信事業的發展。

參考文獻

【1】 Joseph C.Liberti, Theodore S.Rappaport. Smart Antennas for Wireless Communications. IS-95 and Third Generation CDMA applications. PRentice Hall,1999

【2】張賢達, 保錚. 通信信號處理. 北京：國防工業出版社, 2000

【3】查光明, 熊賢祚. 擴頻通信. 西安：西安電子科大出版社, 1999

----《移動通信在線》