TD智能天線基本原理及配套安裝設(shè)計(jì)

1、智能天線基本原理及配套安裝設(shè)計(jì) TD-SCDMA智能天線特點(diǎn)及對網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的影響（0）引言（1）智能天線的發(fā)展過程（2）TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念智能天線的基本原理智能天線的作用（3）智能天線各參數(shù)分析參數(shù)解釋：電性能參數(shù)、機(jī)械參數(shù)、環(huán)境性能參數(shù)關(guān)鍵性指標(biāo)分析智能天線技術(shù)指標(biāo)重要性排隊(duì)各參數(shù)指標(biāo)對網(wǎng)絡(luò)的影響（4）智能天線指標(biāo)參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的影響智能天線空分能力對規(guī)劃的影響智能天線的增益參數(shù)對規(guī)劃的影響網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)智能天線性能指標(biāo)參數(shù)的選取原則（5）智能天線常用指標(biāo)參數(shù)在工程中的影響天線增益天線輻射方向圖波瓣寬度天線下傾角不同目的覆蓋區(qū)域在規(guī)劃時(shí)智能天線的參數(shù)選取原則2011-10-9 2

2、(0) 引言TD-SCDMA系統(tǒng)是由我國為主提出的第三代（3G）移動(dòng)通信技術(shù)，2000年5月世界無線電行政大會(huì)正式接納TD-SCDMA為第三代移動(dòng)通信國際標(biāo)準(zhǔn)。從而使TD-SCDMA與歐洲、日本為主提出的WCDMA、美國為主提出的cdma2000并列為三大主流標(biāo)準(zhǔn)之一。（當(dāng)然,2006年10月19日，國際電信聯(lián)盟(ITU)在日內(nèi)瓦舉行的無線通信(Radio Assembly)全體會(huì)議上，與會(huì)國家通過投票正式通過，無線寬帶技術(shù)WiMAX(以“OFDMA TDD WMAN”名義)已經(jīng)正式成為3G標(biāo)準(zhǔn)。那么WiMAX就是繼WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后成為了第四個(gè)世界3G主流標(biāo)準(zhǔn)

3、之一）。為了促進(jìn)TD-SCDMA技術(shù)的工程化和盡早商用，中國移動(dòng)、中國網(wǎng)通和中國電信3家運(yùn)營商分別在包括北京、上海、廣州、深圳、廈門、青島、保定、秦皇島、天津、沈陽等城市進(jìn)行了TD-SCDMA規(guī)模網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)?，F(xiàn)在保定和青島正在進(jìn)行交接給中國移動(dòng)。通過這種規(guī)模建設(shè)，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)中的幾大關(guān)鍵技術(shù)得到了工程化的發(fā)展，特別是智能天線技術(shù)及其應(yīng)用有了長足的發(fā)展。2011-10-9 3(0)引言由于TD-SCDMA技術(shù)與WCDMA和cdma2000相比起步晚，研究時(shí)間短，交叉采用新技術(shù)多，加之我國通信教學(xué)、研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈相對不完備，要主流運(yùn)營商大面積短時(shí)間內(nèi)使用或試運(yùn)營這種

4、剛剛離開實(shí)驗(yàn)室的成果，肯定會(huì)出現(xiàn)大量需要工程化的問題。從目前看，影響TD建網(wǎng)的主要是智能天線系統(tǒng)，了解智能天線的特點(diǎn)，研究各個(gè)技術(shù)指標(biāo)，得出各個(gè)參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)提供天饋方面的依據(jù)是非常必要的。將來網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、充分發(fā)揮TD優(yōu)勢、高效運(yùn)營與智能天線系統(tǒng)關(guān)系也最大。隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工程的不斷推進(jìn)，智能天線的各個(gè)參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行影響逐漸受到重視。對智能天線的研究也逐步加寬加深，逐漸從智能天線的技術(shù)理論研究，過渡到智能天線在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的應(yīng)用研究。對智能天線的深入研究與討論對于進(jìn)一步掌握天線電磁場理論和未來移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（3G/4G）使用多天線系統(tǒng)都有好處。2011-10-9

5、 4（1）智能天線的發(fā)展過程智能天線最初應(yīng)用于雷達(dá)、聲納等軍事通信領(lǐng)域，主要用來完成空間濾波和定位 。在民用中，移動(dòng)通信傳輸環(huán)境惡劣，由于多經(jīng)衰落、時(shí)延擴(kuò)展造成的符號(hào)間干擾、FDMA和TDMA系統(tǒng)（如GSM）由于頻率復(fù)用引起的共信道干擾、CDMA系統(tǒng)中的多址干擾等都會(huì)使鏈路性能變差、系統(tǒng)容量下降，而我們所熟知的均衡、碼匹配濾波、RAKE接收機(jī)、信道譯碼技術(shù)等都是為了對抗或者減少這些干擾的影響。這些技術(shù)實(shí)際利用的都是時(shí)域、頻域信息，但在實(shí)際中有用的信號(hào)，其時(shí)延樣本和干擾信號(hào)在時(shí)域、頻域存在差異的同時(shí)，在空域（Direction Of Arrival，DOA ）也存在差異。于是產(chǎn)生了采用智能天線進(jìn)

6、一步提高性能的想法。由于智能天線良好的抗多用戶干擾性能，能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，使其成為TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。2011-10-9 5（1）智能天線的發(fā)展過程TD-SCDMA技術(shù)的快速完善和成熟，智能天線技術(shù)也在不斷完善，隨著TD-SCDMA的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)不斷擴(kuò)大，智能天線的使用也趨于成熟，在試驗(yàn)網(wǎng)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用，驗(yàn)證了智能天線各方面的性能和使用效果。前段時(shí)間在我國進(jìn)行的TD-SCDMA試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中，采用的天線多是單排線陣工作方式，即每個(gè)天線陣元都是定向天線，擺放在一排上，每個(gè)相鄰陣元間的距離為1/2工作波長。典型的是8陣元線陣天線，每個(gè)陣元又是由8或

7、9個(gè)單元振子構(gòu)成。只要國家給定了TD-SCDMA的頻段，排成一列的8陣元線陣天線的寬度也就定下來了。在國家給定的2010-2025MHz頻段內(nèi)，用中心頻點(diǎn)計(jì)算得出二分之一波長約為74.4mm，則一般8陣元天線的寬度在660mm左右。圖1-1 現(xiàn)有8陣元天線示意圖2011-10-9 6（1）智能天線的發(fā)展過程這種理論上效能最好的8陣元線陣列扇區(qū)天線系統(tǒng)給人們的印象是“一塊面板”、“一縷辮子”、“兩個(gè)瘤子”。即單排8陣元線陣智能天線在工程應(yīng)用上出現(xiàn)了問題：天線橫向尺寸大，風(fēng)阻大，重量大，安裝固定困難；射頻電纜粗、多、重，安裝固定困難；對安裝站點(diǎn)的天面要求高，工程施工困難，浪費(fèi)工時(shí)；不能充分利用2G

8、系統(tǒng)站址資源；公眾認(rèn)為天線越寬輻射能量越大，增強(qiáng)公眾恐懼心理；天線面積大，線纜多有礙觀瞻；站址協(xié)調(diào)困難從而影響工程進(jìn)度。2011-10-9 7（1）智能天線的發(fā)展過程從而在業(yè)界引發(fā)了希望在基本不影響智能天線的效果和增益的前提下，如何縮小天線的橫向尺寸、降低天線重量、減少線纜數(shù)量的討論。部分天線廠家提出的折衷中方案是改用6陣元天線，或使天線長度方向減小的辦法，但是這些方案都是以減少智能天線效果、降低天線增益為代價(jià)的。從線陣列智能天線理論可以知道，減少天線陣元數(shù)量，是以減少智能天線增益和賦型效果為代價(jià)的；減少天線長度或減少單元振子數(shù)量是以降低天線增益為代價(jià)的。后來將降低天線風(fēng)阻作為主攻方向，研制出

9、鏤空天線，但同時(shí)帶來了新的麻煩，前后比差、會(huì)產(chǎn)生尖銳的嘯叫聲、冰或雪伏在天線橫截面上時(shí)會(huì)造成天線電參數(shù)惡化且不穩(wěn)定、鏤空八根天線讓人一目了然天線的根數(shù)，且面積沒有減少，更增加了容易讓物業(yè)反對的負(fù)面影響。2011-10-9 8（1）智能天線的發(fā)展過程由此又開始研制小型化智能天線。開始是簡單將陣元間距縮小一倍得到小間距天線。但是這種天線的缺點(diǎn)是，由于要在不足400mm寬的天線底端設(shè)計(jì)8個(gè)天線端子和1個(gè)校正端子，加之在天線內(nèi)陣元間距過近，造成陣元間耦合過大，天線賦型半波寬度過寬，旁瓣過多等，使其很難在應(yīng)用中獲得好的無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。最近出現(xiàn)的緊湊型智能天線是將傳統(tǒng)的單排線陣天線排成兩排，從而使天線橫向面

10、積縮小到400 mm，重量減輕一倍。這種天線的第一批樣品已經(jīng)完成原理性網(wǎng)上測試，具備TD-SCDMA系統(tǒng)的要求，比其性能更好的第二批樣品也已經(jīng)完成等待工程應(yīng)用測試。目前天線小型化工作已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向要求天線更有利于建設(shè)、維護(hù)、運(yùn)營方向。2011-10-9 9緊湊型智能天線2011-10-9 10緊湊型智能天線2011-10-9 11緊湊型智能天線2011-10-9 12緊湊型智能天線2011-10-9 13（1）智能天線的發(fā)展過程緊湊型智能天線的意義這種智能天線的技術(shù)特點(diǎn)是： 在不減少智能天線賦形作用的同時(shí)減小風(fēng)阻面積近一倍； 從而減少天線的重量一倍； 對安裝站點(diǎn)的天面要求降低，從而降低工程施工難

11、度，節(jié)省工時(shí)； 降低安裝天面要求，同時(shí)減少安裝加固的要求，節(jié)省材料； 寬度與2G天線近似,長度短于2G天線，降低業(yè)主的心理恐慌，有利于選租站址； 有利于RRU由兩個(gè)箱體集成安裝于一個(gè)箱體中。緊湊型智能天線是中國移動(dòng)通信集團(tuán)為了推動(dòng)TD產(chǎn)業(yè)鏈快速發(fā)展和工程化而做出的又一突出性的貢獻(xiàn)。它的研發(fā)過程是貫徹一個(gè)中國移動(dòng)理念的實(shí)例。2011-10-9 14（1）智能天線的發(fā)展過程另外一種方案是簡單將四組2G用的45交叉極化天線構(gòu)成智能天線從賦型上看相當(dāng)于4天線系統(tǒng)，但要使用8個(gè)放大器，振子激勵(lì)45交叉極化對提高接收增益有一定好處。也有一些廠家在考慮隱蔽智能天線。從環(huán)境美化的角度看隱蔽智能天線是能夠有一定

12、的市場前景，而且市場會(huì)越來越大。由于隱蔽天線或美化天線多數(shù)是需要個(gè)性化設(shè)計(jì)，難以批量生產(chǎn)。所以這類天線在生產(chǎn)和建網(wǎng)應(yīng)用上成本高，且需要一定的學(xué)環(huán)境美學(xué)的人才參與。2011-10-9 15（1）智能天線的發(fā)展過程有一些廠家在宣傳電調(diào)智能天線。電調(diào)只是天線一個(gè)極為輔助的功能，反而使天線的成本大幅度提高，應(yīng)用中沒有什么太大的實(shí)際用處。由于我國人口眾多，對移動(dòng)通信需求量大，話務(wù)量增長過快，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展超常的快，每個(gè)本地網(wǎng)每年2次以上大規(guī)模擴(kuò)容，還有多次網(wǎng)優(yōu)、擴(kuò)容，即網(wǎng)絡(luò)基本上沒有相對穩(wěn)定時(shí)期或需要小打小鬧微調(diào)一下即可的時(shí)候；維護(hù)人員相對不足，根本沒有時(shí)間實(shí)時(shí)對每一扇區(qū)進(jìn)行精確調(diào)整，采用電調(diào)調(diào)整那一

13、點(diǎn)根本滿足不了用戶話務(wù)量增長和用戶對網(wǎng)絡(luò)感知度的要求。即使是2G天線一般省份也沒有使用電調(diào)天線，僅在個(gè)別點(diǎn)試驗(yàn)，裝上后也較少調(diào)整使用。因此，宣傳大量使用電調(diào)智能天線只是為增加銷售額度提高利潤。但是，電子固定下傾還是需要的。因?yàn)閺母采w場圖上看它比純機(jī)械下傾效果要好。而電子固定下傾并不會(huì)帶來多少天線生產(chǎn)中的成本增加。2011-10-9 16（1）智能天線的發(fā)展過程從長遠(yuǎn)看，我國一定要把具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)商用化，2G/3G會(huì)有相當(dāng)長的并存期，TD還將沿著既定的LTE路標(biāo)發(fā)展下去。智能天線肯定會(huì)長期使用下去，今后多天線系統(tǒng)還會(huì)越來越多。因此智能天線的未來發(fā)展方向可以歸納為簡單化、小

14、型化、靈活化、綜合化、隱蔽化等幾個(gè)發(fā)展方向。從產(chǎn)業(yè)鏈看天線廠家和設(shè)備廠家保持與運(yùn)營商的設(shè)計(jì)和研究機(jī)構(gòu)長期溝通和協(xié)作，及時(shí)了解應(yīng)用情況，作到為生產(chǎn)為應(yīng)用服務(wù)，應(yīng)用是生產(chǎn)的動(dòng)力，適應(yīng)環(huán)境必須給予足夠重視。2011-10-9 17（1）智能天線的發(fā)展過程應(yīng)用中應(yīng)以簡單化為方向目前TD-SCDMA系統(tǒng)剛剛開始規(guī)模應(yīng)用。因此，應(yīng)用中應(yīng)以簡單化為方向。如果在規(guī)模應(yīng)用還沒有廣泛推開之時(shí)，就提出進(jìn)一步使天線系統(tǒng)復(fù)雜，顯然對推廣TD應(yīng)用不利。從智能天線的射頻發(fā)射接收天線到算法應(yīng)盡量簡單，滿足目前組網(wǎng)的基本要求，滿足實(shí)現(xiàn)3G業(yè)務(wù)即可。2G系統(tǒng)在我國的應(yīng)用中也經(jīng)歷多次補(bǔ)丁，升級改造至今沒有停止。同時(shí)強(qiáng)調(diào)好安裝，好維

15、護(hù)，降低成本。即最好大量使用簡易普通智能天線，批量大，規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化，容易兼容和替換。如長寬尺寸，射頻端子排列，端子型號(hào)等最好都能統(tǒng)一。過早的提出電調(diào)等天線是不合適的，既加大成本，又不現(xiàn)實(shí)。2011-10-9 18（1）智能天線的發(fā)展過程應(yīng)用中應(yīng)以小型化為方向從前段建網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)看，天線太大，既不利于安裝，又不利于選站，因此小型化是下一步天線的研發(fā)方向，算法驅(qū)動(dòng)部分應(yīng)給予足夠的重視和配合。2011-10-9 19（1）智能天線的發(fā)展過程應(yīng)用中應(yīng)以靈活化為方向由于智能天線有掃描和賦型的功能，所以在應(yīng)用中沒有必要所有天線在安裝時(shí)一律是按照2G時(shí)的概念安裝，應(yīng)根據(jù)要覆蓋的環(huán)境靈活安裝，巧妙的利用這一2G

16、天線不具備的功能，解決如高層住宅小區(qū)低層覆蓋問題等在2G時(shí)代長期困饒的難題。例如，高層樓房小區(qū)的低層覆蓋問題，如果將天線橫向安裝，天線掃描可以照顧到樓頂和樓底，只是這時(shí)的天線縱向場圖半功率角不要太小。2011-10-9 20（1）智能天線的發(fā)展過程應(yīng)用中應(yīng)以適應(yīng)環(huán)境要求為方向綜合化從應(yīng)用的角度看，由于租選天面不容易，許多已有天線樓頂看上去已經(jīng)抱桿林立，極不雅觀，繼續(xù)增加天線難度大，造成更加不雅觀。因此如何將各種天線綜合，減少天線數(shù)量將是未來天線制造業(yè)的一個(gè)發(fā)展方向。隱蔽化和美化隨著人們環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，租選站址越來越困難；另一方面，隨著網(wǎng)絡(luò)容量加大，單站點(diǎn)容量不斷擴(kuò)大和運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)模式種類的增加

17、（GSM、TD、CDMA200、WCDMA、WIFI、WIMAX等），城市中到處是天線，樓頂或塔頂上的天線根數(shù)越來越多，確實(shí)難看。因此，天線的隱蔽化和美化是必然的發(fā)展趨勢，即使成本高，難度大，這個(gè)方向也不會(huì)變。因此，天線廠家，運(yùn)營商都應(yīng)給予足夠的重視。2011-10-9 21(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念以系統(tǒng)的觀點(diǎn)看待智能天線與2G系統(tǒng)中的普通天線僅以射頻天線部分為主不同，智能天線系統(tǒng)工作時(shí)主要由兩部分組成：射頻天線部分和算法驅(qū)動(dòng)部分。天線部分即通常鐵塔上天饋系統(tǒng)中的天線，算法驅(qū)動(dòng)部分屬于基站設(shè)備完成的信號(hào)處理和控制部分。因此，如果天線廠家對算法驅(qū)動(dòng)部分工作原理不是很清楚，就不知道

18、自己的天線工作時(shí)的場圖變化；如果設(shè)備廠家對多天線內(nèi)部電磁場工作機(jī)理不是很清楚，就不知道自己驅(qū)動(dòng)算法在對應(yīng)的天線中如何能獲得理想的無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；如果運(yùn)營商對這兩部分都不是很清楚就導(dǎo)致對無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化無從下手；所以也就無法深入持續(xù)改進(jìn)做出優(yōu)質(zhì)高效的智能天線系統(tǒng)，應(yīng)用中也就無法把智能天線的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮出來。2011-10-9 22(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念以系統(tǒng)的觀點(diǎn)看待智能天線2G天線工作時(shí)，只有一路射頻信號(hào)，主要考慮增益，幀結(jié)構(gòu)中廣播域與業(yè)務(wù)域在同一物理覆蓋區(qū)域。運(yùn)營商網(wǎng)優(yōu)簡單且經(jīng)驗(yàn)豐富，容易建設(shè)和維護(hù)好一個(gè)優(yōu)質(zhì)高效的無線網(wǎng)絡(luò)。但TD-SDMA的智能天線系統(tǒng)，是多天線系統(tǒng)，有多路射頻信號(hào)

19、，還要考慮相互間幅度和相位的差異，要掃描工作，要波束賦型，廣播波束與業(yè)務(wù)波束工作方式不同等。要實(shí)現(xiàn)這些就靠天線部分和算法驅(qū)動(dòng)部分相結(jié)合，才能有好的智能天線系統(tǒng)，才能獲得優(yōu)質(zhì)無線網(wǎng)絡(luò)。2011-10-9 23(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念以系統(tǒng)的觀點(diǎn)看待智能天線對于智能天線這類多天線系統(tǒng)，當(dāng)天線廠家按照應(yīng)用要求提供天線產(chǎn)品時(shí)應(yīng)附帶相應(yīng)的說明書，說明天線中振元擺放位置、間距，導(dǎo)向矢量表，天線廣播增益、賦型增益、前后比，廣播場圖、賦型場圖、單元波束場圖，各端口互耦參數(shù)等，以及其它在2G天線時(shí)給出的參數(shù)。設(shè)備廠家應(yīng)根據(jù)這些參數(shù)調(diào)整自己的算法程序。否則直接影響天線效果的正常發(fā)揮，影響正常的網(wǎng)絡(luò)

20、參數(shù)提取和應(yīng)用，最后導(dǎo)致TD的許多優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)不出。這一點(diǎn)是需要設(shè)備廠家和運(yùn)營商特別重視的。當(dāng)然，設(shè)備廠家和設(shè)計(jì)院在做網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，使用規(guī)劃軟件時(shí)也必須得到天線廠家的這些參數(shù)。2011-10-9 24(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念智能天線的天線面積對賦型和增益的影響智能天線賦型是電磁波矢量疊加的結(jié)果。例如單排陣元橫向擺放相隔二分之一波長，陣元中振子縱向間隔稍大于二分之一波長，這種等間距天線陣是典型的邊射式工作方式。需要橫向掃描時(shí)，單排陣元橫向相位等差掃描變化；需要電下傾時(shí)，振子間縱向從上到下相位等差減少。智能天線的高度取決于對天線陣元的增益要求，天線陣元的增益與振子串的數(shù)量有關(guān)，寬度取決于

21、天線陣元的數(shù)量，如果要減少智能天線的尺寸，必然會(huì)減少智能天線的增益和賦型效果。2011-10-9 25(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念智能天線的天線面積對賦型和增益的影響智能天線增益（下行）包括2個(gè)部分:多天線功率疊加增益（10 lgN）賦型增益（10 lgN）20 lgN(N為陣元數(shù)量）常規(guī)定向智能天線有8個(gè)天線陣元，單天線陣元的增益是15 dBi。如果天線陣元從8個(gè)減少到6個(gè)，天線寬度可以減少約1/4； 如果減少到4個(gè)，天線寬度可以減少約1/2。即縮短寬度靠減少陣元數(shù)量不僅減少了賦型增益，還減少了多天線功率疊加增益。同時(shí)由于陣元數(shù)量的減少，智能天線的波束賦型寬度會(huì)增加，隔離空間干擾

22、（空域?yàn)V波）的能力會(huì)降低，從而不僅對系統(tǒng)的覆蓋產(chǎn)生影響，對系統(tǒng)的極限容量也會(huì)帶來影響。同理，縮短長度必然減少陣元中的振子數(shù)，減少陣元增益。即靠減少振子數(shù)縮短長度會(huì)影響覆蓋范圍。2011-10-9 26(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念智能天線和空間分集接收技術(shù)的區(qū)別智能天線利用到達(dá)天線陣元的信號(hào)之間的完全相關(guān)性形成天線方向圖。根據(jù)基站接收信號(hào)的參數(shù)，實(shí)時(shí)調(diào)整天線的方向圖，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號(hào)的到達(dá)方向，旁瓣和零陷對準(zhǔn)干擾信號(hào)的到達(dá)方向?qū)崿F(xiàn)空分多址（SDMA）?？臻g分集接收則是利用分集合并技術(shù)在空間合并多個(gè)不相關(guān)的接收信號(hào)，可以有效對抗信號(hào)的空間選擇性衰落和改善系統(tǒng)性能。在結(jié)構(gòu)上智能天

23、線陣元間距一般取/波長左右或以內(nèi)，因?yàn)殛囋g距過大會(huì)減小接收信號(hào)彼此的相關(guān)程度?？臻g分集接收系統(tǒng)中，天線單元之間的間隔必須為多個(gè)波長，以確保到達(dá)天線陣各個(gè)單元的信號(hào)是互不相關(guān)的。2011-10-9 27(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念智能天線和空間分集接收技術(shù)的區(qū)別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(shí)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d2，以保證接收天線輸出信號(hào)的衰落特性是相互獨(dú)立的，也就是說，當(dāng)某一副接收天線的輸出信號(hào)很低時(shí)，其他接收天線的輸出則不一定在這同一時(shí)刻也出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象，經(jīng)相應(yīng)的合

24、并電路從中選出信號(hào)幅度較大、信噪比最佳的一路，得到一個(gè)總的接收天線輸出信號(hào)。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(dòng)通信系統(tǒng)（FDMA）、數(shù)字時(shí)分系統(tǒng)（TDMA）及碼分系統(tǒng)（CDMA）中都有應(yīng)用。2011-10-9 28(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念智能天線和空間分集接收技術(shù)的區(qū)別極化分集最好的例子是45交叉極化天線。通過極化分集接收得到兩路衰落特性互不相關(guān)的極化分量E45和E45來達(dá)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。但是，要求兩個(gè)交叉極化輻射源具有很好的正交特性，并且在整個(gè)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

25、間分集天線所取得的覆蓋效果。雙極化天線在整個(gè)扇區(qū)范圍內(nèi)的正交特性，即兩個(gè)分集接收天線端口信號(hào)的不相關(guān)性，決定了雙極化天線總的分集效果。并且為了在雙極化天線的兩個(gè)分集接收端口獲得較好的信號(hào)不相關(guān)特性，兩個(gè)端口之間的隔離度通常要求達(dá)到30 dB以上。多個(gè)交叉極化天線放在一起構(gòu)成天線陣，多端口之間的隔離度要求將更為復(fù)雜。2011-10-9 29(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的概念智能天線系統(tǒng)的分類從算法驅(qū)動(dòng)部分側(cè)看智能天線分成兩類：波束切換天線系統(tǒng)和自適應(yīng)天線系統(tǒng)。波束切換天線系統(tǒng)（Switched Beam Systems）是由天線陣列形成一系列固定的波束，由收發(fā)機(jī)選擇最能改善信號(hào)和抑制干擾的

26、波束進(jìn)行接收和發(fā)送。自適應(yīng)天線系統(tǒng)（Adaptive Antenna Systems）是能夠針對噪聲、干擾和多徑（Multipath,在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在多條無線路徑）而動(dòng)態(tài)改變天線方向圖的一個(gè)陣列，它能夠?qū)崟r(shí)改變方向圖以跟蹤用戶。復(fù)雜的自適應(yīng)天線系統(tǒng)應(yīng)具備能夠區(qū)分期望信號(hào)和非期望信號(hào)的能力。TD-SCDMA系統(tǒng)中的智能天線工作在兩種波束模式：廣播波束模式和業(yè)務(wù)波束模式 其中的業(yè)務(wù)波束既可以工作在波束切換方式也可以工作在自適應(yīng)波束方式。一般前一種方式運(yùn)算量小，賦形增益高，后一種方式運(yùn)算量大，適應(yīng)地形好，但賦形增益小于前一種。圖2 智能天線系統(tǒng)工作示意2011-10-9 圖30(2)TD系統(tǒng)

27、中的智能天線智能天線的概念智能天線系統(tǒng)的分類從射頻天線部分側(cè)看，根據(jù)覆蓋方向，分為全向天線、定向天線；根據(jù)天線形狀或陣元擺放分為線陣（定向）、圓陣（全向）、面陣（定向）等。 線陣又可分為單排陣、雙排陣（垂直極化雙排，45交叉極化雙排），甚至還有弧型。 單排陣又有普通單排陣天線、鏤空天線、小間距天線等。 根據(jù)天線中陣元數(shù)量，又可分為8天線系統(tǒng)、7天線系統(tǒng)、6天線系統(tǒng)、4天線 這些都在網(wǎng)上應(yīng)用或試驗(yàn)過。比較看好的有8天線系統(tǒng)、7天線雙排系統(tǒng)、6天線系統(tǒng)。2011-10-9 31系統(tǒng)等。(2)TD系統(tǒng)中的智能天線智能天線的基本原理智能天線的組成定向智能天線構(gòu)造圖定向智能天線陣包括金屬反射板、若干輻射

28、單元列組成的輻射列陣、并聯(lián)饋電、校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、屏蔽蓋、射頻接頭、以及天線罩。2011-10-9 32(2)TD系統(tǒng)中的智能天線全向智能天線構(gòu)造圖全向智能天線陣包括支架、輻射列陣、并聯(lián)饋電、天線罩、底托和射頻接頭 。2011-10-9 33 智能天線的基本原理智能天線原理圖智能天線是天線陣列技術(shù)，從圖中可以看出，由N個(gè)天線單元組成，每個(gè)天線單元有對應(yīng)加權(quán)器，共有M組加權(quán)器，可以形成M個(gè)方向的波束，M表示用戶數(shù)，其可以大于天線陣元數(shù)，天線陣的尺寸和天線陣元的數(shù)目決定最大增益和最小波束寬度，意味著在天線陣的尺寸和天線增益，及天線主瓣性能之間要取得平衡。智能天線通過調(diào)節(jié)從每一個(gè)天線收到信號(hào)的相位與幅度，使

29、得形成所需要的波束，此過程稱為波束形成?？梢孕纬筛鞣N波束-掃描波束、多波束、成型波束、及有受控零位的波束。2011-10-9 34 智能天線的基本原理智能天線技術(shù)利用基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束即最大增益點(diǎn)對準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而給有用信號(hào)帶來最大增益，有效的減少多徑效應(yīng)所帶來的影響，同時(shí)達(dá)到對干擾信號(hào)刪除和抑制的目的（如圖所示）。2011-10-9 35智能天線的基本原理 舉例緊湊型線陣扇區(qū)智能天線結(jié)構(gòu) 在機(jī)械結(jié)構(gòu)上它由多個(gè)天線陣元組成，前后方向陣元分成兩排，前排為（N+1）/2個(gè)天線陣元，后排為（N-1）/2個(gè)天線陣元，陣元間隔二分

30、之一工作波長左右，每個(gè)后排天線陣元都位于前排相鄰兩個(gè)天線陣元之間的位置上，橫向兩排排間距四分之一工作波長左右。當(dāng)N=7時(shí)，前排陣元數(shù)為4個(gè)，后排陣元數(shù)為3個(gè)。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)如下圖所示：前排4個(gè)陣元，同排各相鄰天線陣元之間的間距為D，二分之一工作波長左右；后排3個(gè)陣元，兩排間距DZ。 這種天線結(jié)構(gòu)的思想是采用兩排天線陣元結(jié)構(gòu)方法達(dá)到盡可能的不減少天線陣元數(shù)量（每個(gè)陣元仍然由8-10個(gè)單元振子組成），即少削減可調(diào)幅值和相位變量數(shù)，同時(shí)盡可能減少天線的橫向面積，從而達(dá)到減少風(fēng)阻的目的。在電場圖方面，仍然是垂直極化和波的相干原理，同時(shí)利用邊射式+端射式的工作機(jī)理，使整個(gè)天線的電場覆蓋面積相當(dāng)于8陣元效果

31、。2011-10-9 36智能天線的基本原理 舉例緊湊型線陣扇區(qū)智能天線工作原理由波的疊加原理可以遞推出兩排天線時(shí)的計(jì)算方法。以第一排的最左側(cè)第一個(gè)陣元編號(hào)為0起，順序編號(hào)，直到第二排最ddd右側(cè)一個(gè)陣元編號(hào)為6結(jié)束。從該第一列0123圖可以看出，遠(yuǎn)方傳來的電磁波（可視為平面波），空域上到達(dá)各第二列456個(gè)陣元時(shí)所走的距離不同，以垂直于天線陣列組成的平面入射方向?yàn)?方向，逆時(shí)針計(jì)算夾角，各編號(hào)陣元入射波相對0號(hào)陣元的距離差分別為dm（m=0,1,2,3,6） d m 0 ,1, 2 , 3 = m D sin ,緊湊型TD-SCDMA智能天線波束接收示意圖d m 4,5,6 = (m 4) D

32、 sin + D Z sin( + )其中：DZ =DZ2 + ( D / 2) 2 =，arctg(DZ /(D / 2)（為入射波夾角）2011-10-9 37智能天線的基本原理 舉例緊湊型線陣扇區(qū)智能天線工作原理時(shí)域上入射波的相位差為：(2/)dm?？梢姡臻g上距離的差別導(dǎo)致了各個(gè)陣元上的接收信號(hào)相位的不同。經(jīng)過加權(quán)后整個(gè)天線的輸出端的信號(hào)為：3M = 0Me jM ( 2 / ) D sin +6M = 4M jM ( 2 / ) D ( m 4 ) sin + D Z sin( + )其中，A為增益常數(shù)，s(t)是復(fù)包絡(luò)信號(hào)，WM，是陣列的權(quán)因子。根據(jù)正弦波的疊加效果，假設(shè)各個(gè)陣元的

33、加權(quán)因子為： jM ( 2 / )Dsin jM (2 / )D(m4)sin+dZ sin(+ )3M=0 jM(2 /)D(sinsin)e6M=4 jM(2 /)D(m4)(sinsin)+dZ (sin(+ )sin(+)從而看出，選擇不同的，將改變波束所對應(yīng)的角度，所以可以通過改變權(quán)值來選擇合適的方向。即針對不同的陣元賦予不同的權(quán)值，最后將所有陣元的信號(hào)進(jìn)行同項(xiàng)合并，達(dá)到使天線輻射方向圖的主瓣自適應(yīng)地指向用戶來波方向的目的。2011-10-9 38Z ( t ) = A s ( t ) ( W W eWM 0,1, 2,3 = eWM 4,5,6 = eZ(t) = As(t)(+

34、e智能天線的基本原理 舉例偶極子天線的電場分布圖2011-10-9 39智能天線的基本原理 舉例增益2011-10-9 40智能天線的基本原理 舉例2單元振子，不同間距時(shí)的輻射場圖port。（2）仿真建模圖：2011-10-9 41智能天線的基本原理 舉例八木天線模型（3）方向圖：2011-10-9 42智能天線的基本原理自適應(yīng)智能天線原理自適應(yīng)智能天線采用自適應(yīng)算法，具有無限數(shù)目的、隨時(shí)間調(diào)整的方向圖，隨著信號(hào)及干擾而變化。自適應(yīng)天線技術(shù)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和多種較新的信號(hào)處理算法，有效地跟蹤、鎖定各種類型的信號(hào)、識(shí)別用戶信號(hào)到達(dá)方向，并在此方向形成天線主波束，可以動(dòng)態(tài)抑制干擾到最小，而使所

35、希望的信號(hào)最大。波束切換和自適應(yīng)天線這兩種系統(tǒng)都力圖根據(jù)用戶的位置來提高增益，但是只有自適應(yīng)天線系統(tǒng)能提供優(yōu)化增益。對天線結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以得到最大的信號(hào)干擾比。只是自適應(yīng)天線陣著眼于信號(hào)環(huán)境的分析與權(quán)集實(shí)時(shí)優(yōu)化，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。自適應(yīng)天線波束賦形技術(shù)在20世紀(jì)60年代就開始發(fā)展，其研究對象是雷達(dá)天線陣，目的是提高雷達(dá)的性能和電子對抗的能力。而其真正的發(fā)展是在90年代初，隨著微計(jì)算器和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP芯片的處理能力日益提高，且價(jià)格也逐漸能夠?yàn)榭蒲泻蜕a(chǎn)所接受，這樣也就促進(jìn)了自適應(yīng)天線波束賦形技術(shù)的發(fā)展。自適應(yīng)天線研究的核心是自適應(yīng)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(hào)（導(dǎo)頻序列或?qū)ьl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(yīng)再按一定準(zhǔn)則，比如最優(yōu)的迫零準(zhǔn)則（Zero Forcing）確定各加權(quán)值，要么直接按一定的準(zhǔn)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(guān)。2011-10-9 43 智能天線的基本原理波束切換天線原理波束切換天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，其天線系統(tǒng)可形成多個(gè)固定的波束，在特定的方向上提高靈敏度。它從幾個(gè)預(yù)UEU定義的、固定波束中選擇其一，檢測信號(hào)強(qiáng)度