移动通信中的天线设计介绍

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一、前  言

天线是移动通信中不可缺少的组成部分,具有十分重要的作用,它位于收发信机和电磁波传播空间之间,并在这两者间实现有效的能量传递。通过设计天线的辐射特性,可以控制电磁能的空间分布,提高资源利用率,优化网络质量。尤其在3G的发展中,智能天线(Smart Antenna)更成为近来国际移动通信界研究的一个热点。


二、移动天线采用的关键技术

 1.对称振子和天线阵

目前移动通信中使用的天线形式主要是线天线,即天线辐射体的长度l远大于其直径d,线天线的基础是对称振子。当通过导线的高频电流变化的频率所确定的波长远大于该导线的长度时,可以认为该导线上电流的振幅和相位是相同的,只是它的
数值随时间t作正弦变化,这种短导线被称为电流元或赫兹偶极子,它可以作为独立的天线或成为复杂天线的组成单元。复杂天线在空间的电磁场可以看作是许多电流元产生的电磁场迭加的结果。电流元的辐射功率是在单位时间内通过球面向外辐射的电磁能量平均值。辐射场的能量将不再返回波源,所以对于波源来说是一种能量损耗。引入电路的概念,我们用等效电阻表示这部分辐射功率,则这个电阻就称为辐射电阻,电流元的辐射电阻为

       RΣ=80π2(l/λ)2(1)  

通过积分计算可以得到电流元的方向性图:当l/λ<0.5时,随着l/λ的增大,方向性图变得尖锐,并只有主瓣,主瓣垂直于振子轴;当l/λ>0.5时,出现副瓣,随着l/λ的增大,原来的副瓣逐渐变成主瓣,而原来的主瓣变成副瓣;当l/λ=1时,主瓣消失。这种方向性的变化主要是由于振子上电流分布的变化所引起的。

多个对称振子组合起来就构成天线阵。按照对称振子的排列方式,天线阵可以分为直线阵、平面阵和立体阵等,不同的排列有不同的阵因子。根据方向性相乘原理,采用同样的对称振子作为天线阵的单元天线,只要改变排列位置或馈电相位,就可以得到不同的方向特性。移动通信中基站高增益全向天线就是把振子作共轴排列,压缩垂直面的波束宽度,而把辐射能量集中于与振子相垂直的方向上,以提高天线的增益。

 2.天线的方向特性和增益

天线的方向特性可以用方向性图来描述,但以数量来表示天线辐射电磁能量的集中程度则往往使用方向性系数D。它的定义是,在同样辐射功率时,有方向性天线在最大辐射方向远区某点的功率通量密度(单位面积上通过的电场功率,正比于电场强度的平方)与无方向性天线在该点的功率通量密度之比:

又由于天线本身的损耗非常小,可认为天线的辐射功率等于输入功率,即天线效率η=100%,则天线增益G=η·D=D,也就是说天线增益和天线的方向性系数在数值上是相等的。

要提高天线的增益,在保持水平面上辐射特性不变的情况下,主要依靠减小垂直面内辐射的波瓣宽度。振子长度的改变对增益的影响十分有限,天线阵是目前实现高增益的主要手段。直线阵是最简单最实用的全向天线阵,在与振子轴一致的同一轴线上,按一定间隔距离排列若干辐射振子,可以在垂直于轴线的平面上得到增强的辐射场。但是,要得到最佳的效果,必须适当选择各振子间的间距和馈电的相位。作为辐射单元,可以用半波振子或在水平面有全向性能的其它辐射源,例如折合振子或各种同轴天线等。共轴天线阵是基站常用的高增益天线,它要求各辐射单元得到等幅同相的馈电,馈电方式有并馈和串馈两种。另一种高增益全向天线是将多个定向天线分别定向于不同方位,构成近似的全向辐射。但是,当要把天线架设在大型铁塔的中段时,由于受塔身反射的影响,共轴天线阵的方向性会被破坏,这时,围绕塔身合理布置的定向天线阵可以解决这一问题。更重要的是,在蜂窝通信系统中进行频率复用时,定向天线可以更好地降低同、邻频干扰,提高频率复用率。120°角反射器或120°平面反射器可用于120°扇形小区中,60°角反射器可用于
60°扇形小区中。

全向天线一般用于移动用户数较少的网络,或用户密度较低的区域,例如市郊、农村等地区,它的水平面方向图应是360°,垂直面半功率波束宽度根据天线的增益不同可以有13°或6.5°。定向天线一般用于移动用户密度较高的区域,例如市区、车站、商业中心等,它的水平面半功率波束宽度一般有65°、90°、105°、120°,垂直面半功率波束宽度根据天线的增益不同可以有34°、16°或8°等。

 3.采用分集技术提高增益

由于传播环境的恶劣,无线信号会产生深度衰落和多普勒频移等,使接收电平下降到热噪声电平附近,相位亦随时间产生随机变化,从而导致通信质量下降。对此,我们可以采用分集接收技术减轻衰落的影响,获得分集增益,提高接收灵敏度。分集天线有空间分集、方向分集、极化分集和场成分分集等。空间分集是利用多副接收天线来实现的。在发端采用一副天线发射,而在接收端采用多副天线接收。接收端天线之间的距离d≥λ/2(λ为工作波长),以保证接收天线输出信号的衰落特性是相互独立的,也就是说,当某一副接收天线的输出信号很低时,其他接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象,经相应的合并电路从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路,得到一个总的接收天线输出信号。这样就降低了信道衰落的影响,改善了传输的可靠性。该技术在模拟频分移动通信系统(FDMA)、数字时分系统(TDMA)及码分系统(CDMA)中都有应用。

空间分集接收的优点是分集增益高,缺点是还需另外一根单独的接收天线。为了克服这个缺点,近来又生产出定向双极化天线。在移动信道中,两个在同一地点、极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出互不相关衰落特性。利用这一特点,在发端同一地点装上垂直极化和水平极化两副发射天线,在收端同一地点装上垂直极化和水平极化两副接收天线,就可以得到两路衰落特性互不相关的极化分量Ex和Ey。所谓定向双极化天线就是把垂直极化和水平极化两副接收天线集成到一个物理实体中,通过极化分集接收来达到空间分集接收的效果,所以极化分集实际上是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是它只需一根天线,结构紧凑,节省空间,缺点是它的分集接收效果低于空间分集接收天线,并且由于发射功率要分配到两副天线上,将会造成3 dB的信号功率损失。

分集增益依赖于基站天线间不相关特性的好坏,通过在水平或垂直方向上天线位置间的分离来实现空间分集。空间上的位置分离保证两面接收天线分别接收不同路径来的移动台信号,同时也使两面天线间满足一定隔离度的要求。若采用交叉极化天线,同样需要满足这种隔离度要求。对于极化分集的双极化天线来说,天线中两个交叉极化辐射源的正交性是决定无线信号上行链路分集增益的主要因素。该分集增益依赖于双极化天线中两个交叉极化辐射源是否在相同的覆盖区域内提供了相同的信号场强。两个交叉极化辐射源要求具有很好的正交特性,并且在整个120°扇区及切换重叠区内保持很好的水平跟踪特性,代替空间分集天线所取得的覆盖效果。大多数交叉极化天线在天线场图的主瓣方向具有很好的电气特性,但对于基站天线来说,还要求在小区的边缘及切换重叠区内仍能保持较好的交叉极化特性。为了获得好的覆盖效果,要求天线在整个扇区范围内均具有高的交叉极化分辨率。双极化天线在整个扇区范围内的正交特性,即两个分集接收天线端口信号的不相关性,决定了双极化天线总的分集效果。为了在双极化天线的两个分集接收端口获得较好的信号不相关特性,两个端口之间的隔离度通常要求达到30 dB以上。

分集天线把多径信号分离出来,使其互不相干,然后通过合并技术将分离出来的信号合并起来,获得最大的信噪比收益。常用的合并方法有选择性合并、切换合并、最大比合并、等增益合并等,本文不作详细论述。

三、智能天线技术

 1.传统天线的局限性

近年来,随着通信需求的不断发展,智能天线技术成为人们关注的焦点,它帮助无线网络运营商达到了2个极具价值的目的:提供更高的数据传输速率和增加了网络的容量。在GPRS、EDGE和3G网络中,运营商开始利用无线网络为用户提供分组数据业务。与话音业务一样,数据业务要达到规定的传输速率同样需要一定质量的无线信号,这就取决于网络的载干比(C/I)。载干比过低将严重影响传输速率和服务质量;而在GSM网络的中后期,系统容量不断增加,小区不断分裂,而随之增加的干扰则阻碍了系统容量的进一步增加,传统的全向天线和定向天线已不能满足需要。智能天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束,为每个用户提供一个窄的定向波束,使信号在有效的方向区域内发送和接收,充分利用信号的有效发射功率,降低信号全向发射带来的电磁污染和相互干扰,从而提高了载干比,而载干比提高了,就可以提供更高的数据传输速率和更大的网络容量。

干扰是蜂窝系统性能和容量限制的重要因素,它引起串音、通话丢失或通话信号跌落并使用户心烦意乱,最重要的是干扰限制了经营商可复用频率的紧密度,因此也限制了从固定射频频谱中提取通信承载容量的程度。干扰可来自另一移动终端、在同一频率工作的其它蜂窝站址、或泄入分配频谱的带外射频能量。蜂窝干扰最通常的种类有同信道干扰和相邻信道干扰。同信道干扰是由使用同一频率的非相邻蜂窝的发射引起的。这种干扰在接近蜂窝边界时最明显,此时与使用相同频率的邻近蜂窝的物理分隔处于最低程度。相邻信道干扰是由使用相邻频率的邻近蜂窝对用户信道的漏泄而造成的。在相邻信道,用户在极靠近电话用户接收机处工作时,或者用户信号大大弱于相邻信道用户的信号时会发生这种情况。载干比是通话质量的重要标志,对用户而言,较高的C/I比就是较低的干扰、更少的掉话以及改善的音频质量;对经营商而言,较高的C/I比可以使信号距离延伸以及采用更为紧密的频率复用方式,因此增加了整个系统的容量。

 2.多波束智能天线

智能天线是一个天线阵列。它由N个天线单元组成,每个天线单元有M套加权器,可以形成M个不同方向的波束,用户数M可以大于天线单元数N。根据采用的天线方向图形状,智能天线可以分为2类:多波束天线和自适应天线阵。

多波束天线利用多个并行波束覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度随阵元数目而定。随着用户在小区中的移动,基站相应选择不同的波束,使接收信号最强。但是由于它的波束不是任意指向的,而只能对当前传输环境进行部分匹配。当用户不在固定波束的中心处,而处于波束边缘时,且干扰信号处于波束中心时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号最佳接收。但与自适应天线阵相比,它具有结构简单、无须判断用户信号到达方向以及响应速度快等优点。更主要的是,上行链路的同一波束也可用于下行链路,从而在下行链路上也能提供增益。但是由于扇形失真,如波束间方向图的区别,多波束天线获得的增益与角度成非均匀分布。它在波束间的区别有时会达到2 dB,还有可能由于多径或干扰的影响,它们锁定在错误的波束上,因为它们无法抑制和有用信号处在同一波束内的干扰信号。多波束天线又称波束切换天线,实际上我们可将其看作是介于扇形定向天线与全自适应天线间的一种技术。多波束天线中值得研究的有以下内容:如何划分空域,即确定波束的问题,包括数目和形状;挑选波束的准则;波束跟踪的实现,主要指的是实现快速搜索算法等;切换波束与自适应波束成型的理论关系等。

 3.自适应天线阵

自适应天线阵(Adaptive Antenna Array),最初应用于雷达、声纳、军事方面,主要用来完成空间滤波和定位,如相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。自适应天线是通过反馈控制方式连续调整本身方向图的天线阵,其方向图与变形虫相似,没有固定的形状,随着信号及干扰而变化。一般采用4~16个天线阵元结构,阵元间距1/2波长,间距过大则各接收信号相关程度降低,间距过小则会在方向图形成不必要的副瓣。智能天线采用数字信号处理技术(DSP)识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束,提供空间信道。由于自适应天线能形成不同的天线方向图,并且可以用软件设计完成自适应算法更新,自适应地调整方向图,可以在不改变系统硬件配置的前提下,增加系统灵活性,所以又被称为软件天线。自适应天线阵的缺点是算法较复杂,动态响应速度较慢。

自适应天线研究的核心是自适应算法,目前已提出很多著名算法,概括地讲有非盲算法和盲算法两大类。非盲算法是指需借助参考信号(导频序列或导频信道)的算法,此时收端知道发送的是什么,进行算法处理时要么先确定信道响应再按一定准则,比如最优的迫零准则(Zero Forcing)确定各加权值,要么直接按一定的准则确定或逐渐调整权值,以使智能天线输出与已知输入最大相关,常用的相关准则有MMSE(最小均方误差)、LMS(最小均方)和LS(最小二乘)等。盲算法则无需发端传送已知的导频信号,判决反馈算法(Decision Feedback)是一类较特殊的盲算法,收端自己估计发送的信号并以此为参考信号进行上述处理,但需注意的是应确保判决信号与实际传送的信号间有较小差错。盲算法一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征,并调整权值以使输出满足这种特性,常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法。非盲算法相对盲算法而言,通常误差较小,收敛速度也较快,但需浪费一定的系统资源,将两者结合的有一种半盲算法,即先用非盲算法确定初始权值,再用盲算法进行跟踪和调整,这样做一方面可综合两者的优点,一方面也是与实际的通信系统相一致的,因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。

需要注意的是,智能天线对每个用户的上行信号均采用赋形波束,但当用户没有发射,仅处于接收状态时,又是在基站的覆盖区域内移动(空闲状态),基站是不可能知道该用户所处的方位,只能使用全向波束进行发射(如系统中的同步、广播、寻呼等物理信道),即基站必须能提供全向和定向的赋形波束。这样一来,对全向信道来说,将要求高得多的发射功率,这是系统设计时所必须考虑的。

 4.智能天线的应用实例

目前已经有一些智能天线投入了商用,如上海联通使用了美国Metawave公司的SpotLight GSM智能天线系统,取得了良好的效果。SpotLight GSM天线属于多波束智能天线,它用4个30°天线代替一个120°扇面天线。系统依靠专利的最佳波束选择算法转换发射和接收波束。射频能量在每一时隙在一指定的30°波束内而不是整个120°扇面中作下行线发射,所以同信道干扰在邻近蜂窝中大大减少。同样,对接收同信道干扰的开放波束也有效地从120°减到30°。这样,相对于单一120°扇面天线,30°天线有效地降低了4倍的同信道干扰,理论上相当于6 dB的C/I改善。这个增益使得通信信道的上行(手机-基站)和下行(基站-手机)都得到了改善。在上行方面,安装了智能天线系统的小区的载干比得到了增加;而在下行方面,原有的那些可视范围内的同频小区的载干比得到了增加。如果要保持原有的C/I值,则可以采用更密集的频率复用方式,从而提高了系统容量。SpotLight GSM执行波束转换,无须与基站的额外通信,所以SpotLight GSM系统的安装不增加基站通信负荷。事实上,由于无效试呼以及干扰或不良覆盖引起的重拨减少,基站处理器的负荷也降低了。此外,在测试中还发现在使用了智能天线的小区中,不仅小区中的网络容量和质量都得到有效地提高,小区中手机的平均接收功率和发射功率都下降了2~3 dB,尤其是手机的发射功率,下降为原来的54%,而手机以满功率发射的比率也从22%下降到8%。SpotLight GSM智能天线通过降低手机的收发功率减少了手机电磁波对人体的辐射,并通过提高网络的容量和质量,减少了小区中所需建立的新基站,因此有“绿色天线”之美称。

四、结 束 语

天线作为移动通信的重要组成部分,在提高网络性能、改善网络质量等方面起着巨大的作用。天线技术发展迅速,天线的分集技术是提高系统增益的一个重要手段,分集方式有空间分集和极化分集等多种;为了工程和维护的方便,出现了可电调倾角的天线;为了保证天线方向图不变形扭曲,发展了内置倾角天线。尤其近年的智能天线更是代表了移动通信天线技术的发展方向,它已经在实际应用中表现出了极大的优势,但在加快波束赋型响应速度及切换等方面还需进一步的研究和改进。