浅谈智能天线技术及应用

2019-11-03 09:26:58

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供稿：网友

林华芳徐明远昆明理工大学　　【摘要】本文简述了智能天线的工作原理以及智能天线的几项关键技术：天线阵列波达方向的估计，当信号进入天线阵列时波束形成的方法。简要介绍了智能天线的优点，并由仿真结果展示了智能天线的应用。

　　1 概述

　　无线通信技术在不断发展。有限的无线频率资源面临着不断增长的通信需求，智能天线可以在某种程度上缓解这一矛盾。智能天线系统能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射或接收方向图，以针对不同的信号环境而达到最佳性能。

　　智能天线(smart antenna)和码分多址(Code Division Multiple access，CDMA)通信系统是无线通信发展比较快的两大新兴领域。码分多址(CDMA)使多个无线用户在同一时刻可以共享同一频带，这项技术充分有效地利用了有限的频谱资源，智能天线和码分多址(CDMA)技术，在未来无线通信领域将扮演重要的角色并将引起一场革命。

　　2 智能天线技术

　　全向天线不仅是增益不高，而且对各种信号不加区别的接收，使得通信质量大为降低。定点无线通信采用定向天线，大幅度的改善了通信质量。面对众多移动用户的公众通信网基站和专用移动通信网，采用天线指向（即波束）可变的天线（智能天线），可以使移动通信的通信质量得到很大的改善。

　　智能天线的基本工作原理是把具有相同极化特性、各向同性及增益相同的天线阵元，按一定的方式排列，构成天线阵列。构成阵列的阵元可按任意方式排列，通常是按直线等距、圆周等距或平面等距排列，其间距通常取工作波长的一半，并且取向相同。如图1和图2所示：

图1 等距离五阵元直线阵图2 等距离八阵元圆线阵图3 七单元直线阵的wi变化图

　　由于远方传来的电磁波（可视为平面波），到达各个阵元时所走的距离不同，从而带来不同的相位差

。这里θ是入射波方向与阵元和参考点连线（长△di角。λ是波长。在各个阵元上形成了与参考点具有不同相位差的信号。在天线阵列的输出信号y所有阵元输出信号xi叠加。

将入射到天线的电磁波的入射角为变量，天线阵列的输出端量为函数作成图就是天线的方向图。

　　为了能够调节天线的方向图以满足工作的需要，通常是在每个阵元的输出端加上一个权因子控制器wi（它的位置请参看图6）。用它改变每个阵元输出信号的幅度和相位，以实现改变天线阵的方向图。这时天线阵列的输出信号y为：

。图3表示了七单元直线阵的wi变化图，七个wi同时变化的结果，使得天线阵输出的方向图（图7）的主波瓣指向从380到1420变化。

　　按照对权因子控制器wi控制方式的不同，智能天线可分为切换波束系统和自适应天线系统。切换波束系统（Switched Beam Systems）是由天线阵列形成一系列固定的波束，由接收机选择最能改善信号和抑制干扰的波束进行接收。由于其技术复杂程度较低，容易实现。但是，切换波束系统也存在一些局限：1）对于那些波达方向与期望接收分量方向十分接近的多径分量，系统无法保证期望分量免受其干扰。2）一般无法充分利用多径分集合并相干多径分量。图4是切换波束系统的框图。图5是七单元直线阵经波束形成网络后形成的九个波束。可以供接收机选择切换使用。

图4 切换波束系统框图图5 七单元直线阵形成的九个波束

　　自适应天线系统（Adaptive Antenna Systems）是能够针对噪声、干扰和多径（Multipath,在发射机和接收机之间存在多条无线路径）而动态改变天线方向图的一个阵列，它能够实时改变方向图以跟踪用户。复杂的自适应天线系统应具备能够区分期望信号和非期望信号的能力。其工作原理是：自适应天线系统中的微处理器将解调出来的信号作为基准信号，将它与天线阵列的输出相减，得出误差信号，反馈控制网络根据误差信号的大小决定对各个天线阵元输出信号加权量wi的动态控制。方法之一就是，使用迭代的方法，以平方平均误差最小为目标，逐次更新w的取值，逐渐达到最佳，实现自适应的波束形成。在特定方向具有尽量高的增益及干扰源方向有尽量低的增益。图6是自适应天线原理框图，图7是单信号以 =60度角入射天线阵时，七单元直线阵自适应调整后形成的方向图。

图6 自适应天线原理眶图图7 单信号入射时形成的方向图

　　波达方向DOA （Direction Of Arrival）的估计是智能天线工作的基础，是阵列信号处理的重要应用之一。当有多个电磁波从不同方向到达天线阵时，每个阵元上都有多个电磁波产生的信号，这些信号因为入射方向不同，在各个阵元上有不同的相位延迟分布。即在阵列的输出端是每个阵元所接收到的多个信号的总叠加。以此为根据经过矩阵运算，得出相应的波达方向估计图。图8是在八个阵元的等距离圆线阵上进行五个信号（分别从300；900；1800；2400及2700方向来的信号）的波达方向估计的仿真（MUSIC法）试验结果。

图8 五信号的波达方向估计图9 五信号波束形成

　　获得波达方向的估计以后，波束形成是智能天线工作的重要内容。波束形成的任务是希望在接收信号到来的方向形成尽量高的增益；最大限度的抑制干扰信号。如：当有多个（N个）信号输入时，其中有2个信号是我们关心的，则在该方向应形成尽量高的增益，而在其他的N-2个信号方向要进行抑制。如图9所示（是五个不同方向的信号到达八阵元等距圆阵的仿真结果），在900和2400方向形成了尽量高的增益，在300、1809、2700方向信号增益为0，形成尖锐的零陷。

　　对于发射天线的波束形成，一方面依靠接收信号的方向信息，另一方面考虑到收发频率的不同为方向估计带来的误差。

　　3 智能天线的优点及应用

　　智能天线可以按通信的需要在有用信号的方向提高增益，在干扰源的方向降低增益。因此，智能天线系统的应用可以带来如下好处：

　　在通信网中通信覆盖距离取决于发射功率、接收灵敏度、传输损耗、天线增益。在基站，手机发射功率和接收灵敏度不变的情况下，通过提高基站天线在通信方向的增益，增加通信覆盖距离。在建网初期，小区内用户不多，使用智能天线能扩展通信距离，扩大小区半径，减少基站的数目，也减少了无线系统安装初期的建设费用。随着用户的增加，进行小区分裂减少基站的覆盖范围后，因为智能天线的应用可以提高载干比，降低用户的发射功率，降低系统的干扰。另一方面，由于降低干扰可以更加频繁的重复使用频率，又可以提高系统的容量。

　　无线信道中的多径，能导致衰落和时间扩散，智能天线可以分离来自不同方向的多径信号，通过RAKE接收技术提取有用信号，然后将其叠加，不但减轻了多径的影响，甚至可以利用多径所固有的分集效应改善链路的质量。

　　CDMA系统有严格的功率控制要求，对用户的地面分布特别敏感。智能天线能够分离不同的上行信号，以降低对功率控制的要求，并且能够实时调整方向，从而缓解用户地理分布不均的矛盾。

　　天线阵列的信号处理是智能天线的基础也是作为信号处理的一个重要分支，在通信、雷达、电子对抗、地震勘探、射电天文等领域获得了广泛应用和迅速发展。它包括：

　　信源定位——确定阵列到信源的仰角和方位角，甚至距离(若信源位于近场)；

　　信源分离——确定各个信源发射的信号波形。各个信源可从不同方向到达阵列，即使它们在时域和频域是叠加的；

　　信道估计：确定信源与阵列之间的传输信道的参数(多径参数)。

　　近年来，无线本地环路WLL (Wireless Local Loop)的蓬勃发展使人们对智能天线刮目相看，它的无线基础设施安装方便、价格低廉。WLL系统是为固定用户服务而不是为移动用户服务的，它的目的是为居民和商业用户提供有线质量的语音和数据业务。采用CDMA 和智能天线技术的新兴的WLL系统可以提高覆盖距离，增加可靠性和增大容量。智能天线使CDMA系统更有效的利用无线频谱，为业务密集的区域及无线宽带接入提供了高度的灵活性。第三代移动通信系统的标准之一：中国的TD—SCDMA初步实现了环形8阵元自适应天线。

智能天线是一门年轻的学科，也是一项新兴的产业，它的发展将会极大的推动通信事业的发展。

参考文献

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

【2】张贤达, 保铮. 通信信号处理. 北京：国防工业出版社, 2000

【3】查光明, 熊贤祚. 扩频通信. 西安：西安电子科大出版社, 1999

----《移动通信在线》