移動通信中的天線設計介紹

一、前　　言

天線是移動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，并在這兩者間實現(xiàn)有效的能量傳遞。通過設計天線的輻射特性，可以控制電磁能的空間分布，提高資源利用率，優(yōu)化網(wǎng)絡質(zhì)量。尤其在3G的發(fā)展中，智能天線（Smart Antenna）更成為近來國際移動通信界研究的一個熱點。


二、移動天線采用的關鍵技術(shù)

1．對稱振子和天線陣

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

RΣ＝80π2（l／λ）2（1）　　

通過積分計算可以得到電流元的方向性圖：當l／λ＜0．5時，隨著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，出現(xiàn)副瓣，隨著l／λ的增大，原來的副瓣逐漸變成主瓣，而原來的主瓣變成副瓣；當l／λ＝1時，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。

多個對稱振子組合起來就構(gòu)成天線陣。按照對稱振子的排列方式，天線陣可以分為直線陣、平面陣和立體陣等，不同的排列有不同的陣因子。根據(jù)方向性相乘原理，采用同樣的對稱振子作為天線陣的單元天線，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。移動通信中基站高增益全向天線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，以提高天線的增益。

2．天線的方向特性和增益

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

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

要提高天線的增益，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(nèi)輻射的波瓣寬度。振子長度的改變對增益的影響十分有限，天線陣是目前實現(xiàn)高增益的主要手段。直線陣是最簡單最實用的全向天線陣，在與振子軸一致的同一軸線上，按一定間隔距離排列若干輻射振子，可以在垂直于軸線的平面上得到增強的輻射場。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等。共軸天線陣是基站常用的高增益天線，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是將多個定向天線分別定向于不同方位，構(gòu)成近似的全向輻射。但是，當要把天線架設在大型鐵塔的中段時，由于受塔身反射的影響，共軸天線陣的方向性會被破壞，這時，圍繞塔身合理布置的定向天線陣可以解決這一問題。更重要的是，在蜂窩通信系統(tǒng)中進行頻率復用時，定向天線可以更好地降低同、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(qū)中，60°角反射器可用于
60°扇形小區(qū)中。

全向天線一般用于移動用戶數(shù)較少的網(wǎng)絡，或用戶密度較低的區(qū)域，例如市郊、農(nóng)村等地區(qū)，它的水平面方向圖應是360°，垂直面半功率波束寬度根據(jù)天線的增益不同可以有13°或6．5°。定向天線一般用于移動用戶密度較高的區(qū)域，例如市區(qū)、車站、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(jù)天線的增益不同可以有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，無線信號會產(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。分集天線有空間分集、方向分集、極化分集和場成分分集等?？臻g分集是利用多副接收天線來實現(xiàn)的。在發(fā)端采用一副天線發(fā)射，而在接收端采用多副天線接收。接收端天線之間的距離d≥λ／2（λ為工作波長），以保證接收天線輸出信號的衰落特性是相互獨立的，也就是說，當某一副接收天線的輸出信號很低時，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)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，得到一個總的接收天線輸出信號。這樣就降低了信道衰落的影響，改善了傳輸?shù)目煽啃?。該技術(shù)在模擬頻分移動通信系統(tǒng)（FDMA）、數(shù)字時分系統(tǒng)（TDMA）及碼分系統(tǒng)（CDMA）中都有應用。

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

分集增益依賴于基站天線間不相關特性的好壞，通過在水平或垂直方向上天線位置間的分離來實現(xiàn)空間分集?？臻g上的位置分離保證兩面接收天線分別接收不同路徑來的移動臺信號，同時也使兩面天線間滿足一定隔離度的要求。若采用交叉極化天線，同樣需要滿足這種隔離度要求。對于極化分集的雙極化天線來說，天線中兩個交叉極化輻射源的正交性是決定無線信號上行鏈路分集增益的主要因素。該分集增益依賴于雙極化天線中兩個交叉極化輻射源是否在相同的覆蓋區(qū)域內(nèi)提供了相同的信號場強。兩個交叉極化輻射源要求具有很好的正交特性，并且在整個120°扇區(qū)及切換重疊區(qū)內(nèi)保持很好的水平跟蹤特性，代替空間分集天線所取得的覆蓋效果。大多數(shù)交叉極化天線在天線場圖的主瓣方向具有很好的電氣特性，但對于基站天線來說，還要求在小區(qū)的邊緣及切換重疊區(qū)內(nèi)仍能保持較好的交叉極化特性。為了獲得好的覆蓋效果，要求天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)均具有高的交叉極化分辨率。雙極化天線在整個扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個分集接收天線端口信號的不相關性，決定了雙極化天線總的分集效果。為了在雙極化天線的兩個分集接收端口獲得較好的信號不相關特性，兩個端口之間的隔離度通常要求達到30 dB以上。

分集天線把多徑信號分離出來，使其互不相干，然后通過合并技術(shù)將分離出來的信號合并起來，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、智能天線技術(shù)

1．傳統(tǒng)天線的局限性

近年來，隨著通信需求的不斷發(fā)展，智能天線技術(shù)成為人們關注的焦點，它幫助無線網(wǎng)絡運營商達到了2個極具價值的目的：提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和增加了網(wǎng)絡的容量。在GPRS、EDGE和3G網(wǎng)絡中，運營商開始利用無線網(wǎng)絡為用戶提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務。與話音業(yè)務一樣，數(shù)據(jù)業(yè)務要達到規(guī)定的傳輸速率同樣需要一定質(zhì)量的無線信號，這就取決于網(wǎng)絡的載干比（C／I）。載干比過低將嚴重影響傳輸速率和服務質(zhì)量；而在GSM網(wǎng)絡的中后期，系統(tǒng)容量不斷增加，小區(qū)不斷分裂，而隨之增加的干擾則阻礙了系統(tǒng)容量的進一步增加，傳統(tǒng)的全向天線和定向天線已不能滿足需要。智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)產(chǎn)生空間定向波束，為每個用戶提供一個窄的定向波束，使信號在有效的方向區(qū)域內(nèi)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(shù)據(jù)傳輸速率和更大的網(wǎng)絡容量。

干擾是蜂窩系統(tǒng)性能和容量限制的重要因素，它引起串音、通話丟失或通話信號跌落并使用戶心煩意亂，最重要的是干擾限制了經(jīng)營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。干擾可來自另一移動終端、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最明顯，此時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信道的漏泄而造成的。在相鄰信道，用戶在極靠近電話用戶接收機處工作時，或者用戶信號大大弱于相鄰信道用戶的信號時會發(fā)生這種情況。載干比是通話質(zhì)量的重要標志，對用戶而言，較高的C／I比就是較低的干擾、更少的掉話以及改善的音頻質(zhì)量；對經(jīng)營商而言，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，因此增加了整個系統(tǒng)的容量。

2．多波束智能天線

智能天線是一個天線陣列。它由N個天線單元組成，每個天線單元有M套加權(quán)器，可以形成M個不同方向的波束，用戶數(shù)M可以大于天線單元數(shù)N。根據(jù)采用的天線方向圖形狀，智能天線可以分為2類：多波束天線和自適應天線陣。

多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度隨陣元數(shù)目而定。隨著用戶在小區(qū)中的移動，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)境進行部分匹配。當用戶不在固定波束的中心處，而處于波束邊緣時，且干擾信號處于波束中心時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現(xiàn)信號最佳接收。但與自適應天線陣相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、無須判斷用戶信號到達方向以及響應速度快等優(yōu)點。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(qū)別，多波束天線獲得的增益與角度成非均勻分布。它在波束間的區(qū)別有時會達到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，因為它們無法抑制和有用信號處在同一波束內(nèi)的干擾信號。多波束天線又稱波束切換天線，實際上我們可將其看作是介于扇形定向天線與全自適應天線間的一種技術(shù)。多波束天線中值得研究的有以下內(nèi)容：如何劃分空域，即確定波束的問題，包括數(shù)目和形狀；挑選波束的準則；波束跟蹤的實現(xiàn)，主要指的是實現(xiàn)快速搜索算法等；切換波束與自適應波束成型的理論關系等。

3．自適應天線陣

自適應天線陣（Adaptive Antenna Array），最初應用于雷達、聲納、軍事方面，主要用來完成空間濾波和定位，如相控陣雷達就是一種較簡單的自適應天線陣。自適應天線是通過反饋控制方式連續(xù)調(diào)整本身方向圖的天線陣，其方向圖與變形蟲相似，沒有固定的形狀，隨著信號及干擾而變化。一般采用4～16個天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距1／2波長，間距過大則各接收信號相關程度降低，間距過小則會在方向圖形成不必要的副瓣。智能天線采用數(shù)字信號處理技術(shù)（DSP）識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束，提供空間信道。由于自適應天線能形成不同的天線方向圖，并且可以用軟件設計完成自適應算法更新，自適應地調(diào)整方向圖，可以在不改變系統(tǒng)硬件配置的前提下，增加系統(tǒng)靈活性，所以又被稱為軟件天線。自適應天線陣的缺點是算法較復雜，動態(tài)響應速度較慢。

自適應天線研究的核心是自適應算法，目前已提出很多著名算法，概括地講有非盲算法和盲算法兩大類。非盲算法是指需借助參考信號（導頻序列或?qū)ьl信道）的算法，此時收端知道發(fā)送的是什么，進行算法處理時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(quán)值，要么直接按一定的準則確定或逐漸調(diào)整權(quán)值，以使智能天線輸出與已知輸入最大相關，常用的相關準則有MMSE（最小均方誤差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。盲算法則無需發(fā)端傳送已知的導頻信號，判決反饋算法（Decision Feedback）是一類較特殊的盲算法，收端自己估計發(fā)送的信號并以此為參考信號進行上述處理，但需注意的是應確保判決信號與實際傳送的信號間有較小差錯。盲算法一般利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載的信息比特無關的一些特征，并調(diào)整權(quán)值以使輸出滿足這種特性，常見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(tǒng)資源，將兩者結(jié)合的有一種半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進行跟蹤和調(diào)整，這樣做一方面可綜合兩者的優(yōu)點，一方面也是與實際的通信系統(tǒng)相一致的，因為通常導頻符不會時時發(fā)送而是與對應的業(yè)務信道時分復用的。

需要注意的是，智能天線對每個用戶的上行信號均采用賦形波束，但當用戶沒有發(fā)射，僅處于接收狀態(tài)時，又是在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)移動（空閑狀態(tài)），基站是不可能知道該用戶所處的方位，只能使用全向波束進行發(fā)射（如系統(tǒng)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，對全向信道來說，將要求高得多的發(fā)射功率，這是系統(tǒng)設計時所必須考慮的。

4．智能天線的應用實例

目前已經(jīng)有一些智能天線投入了商用，如上海聯(lián)通使用了美國Metawave公司的SpotLight GSM智能天線系統(tǒng)，取得了良好的效果。SpotLight GSM天線屬于多波束智能天線，它用4個30°天線代替一個120°扇面天線。系統(tǒng)依靠專利的最佳波束選擇算法轉(zhuǎn)換發(fā)射和接收波束。射頻能量在每一時隙在一指定的30°波束內(nèi)而不是整個120°扇面中作下行線發(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放波束也有效地從120°減到30°。這樣，相對于單一120°扇面天線，30°天線有效地降低了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，安裝了智能天線系統(tǒng)的小區(qū)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(nèi)的同頻小區(qū)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(tǒng)容量。SpotLight GSM執(zhí)行波束轉(zhuǎn)換，無須與基站的額外通信，所以SpotLight GSM系統(tǒng)的安裝不增加基站通信負荷。事實上，由于無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(xiàn)在使用了智能天線的小區(qū)中，不僅小區(qū)中的網(wǎng)絡容量和質(zhì)量都得到有效地提高，小區(qū)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，下降為原來的54％，而手機以滿功率發(fā)射的比率也從22％下降到8％。SpotLight GSM智能天線通過降低手機的收發(fā)功率減少了手機電磁波對人體的輻射，并通過提高網(wǎng)絡的容量和質(zhì)量，減少了小區(qū)中所需建立的新基站，因此有“綠色天線”之美稱。

四、結(jié)　束　語

天線作為移動通信的重要組成部分，在提高網(wǎng)絡性能、改善網(wǎng)絡質(zhì)量等方面起著巨大的作用。天線技術(shù)發(fā)展迅速，天線的分集技術(shù)是提高系統(tǒng)增益的一個重要手段，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(xiàn)了可電調(diào)傾角的天線；為了保證天線方向圖不變形扭曲，發(fā)展了內(nèi)置傾角天線。尤其近年的智能天線更是代表了移動通信天線技術(shù)的發(fā)展方向，它已經(jīng)在實際應用中表現(xiàn)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一步的研究和改進。