智能天線技術(shù)的特點及對無線信道的影響

天線陣列是一組發(fā)射單元組成的天線系統(tǒng)。如果這些天線單元都相同，例如在全向陣列中，如果它們在一個軸上相互間隔距離相同，那么該陣列天線就稱為線性陣列。此外，如果這些單元是由同一根電線上的電流所激勵，那么將可以同步地對這些天線單元調(diào)整，線性陣列的各個單元是均衡一致的。

天線陣列

圖1所示是一個四單元線性陣列，其中每個單元都是全向天線，單元之間以半波長分隔，假定采用相同電流來驅(qū)動每個單元（相同幅度和相位激勵）。采用多個單元組成一個天線陣列與單個全向天線單元相比有效尺寸更大，這種天線具有更強方向性的總輻射圖。

天線陣列的輻射圖是每個單元輻射圖的總和，每個單元的輻射圖如圖1所繪出的虛線圓所示。定向增益產(chǎn)生在這些單元之間的中線上。

這里值得注意的是，同一組物理陣列單元可以形成不同的天線輻射圖，這樣可以允許接收器調(diào)整波束方向以實現(xiàn)正確的信號接收。這也使得在生產(chǎn)這類天線時，一種天線尺寸可以適用于多種用途。即可以建立一個基本的單元結(jié)構(gòu)，單元形成的輻射圖可以由用戶通過調(diào)整單元激勵的方式來改變輻射圖的形成。

再進一步討論方向性問題。假設(shè)圖1中的陣列實際上是由八個天線單元組成，單元間隔為半波長，其中一半的單元沒有被激勵?，F(xiàn)在，再激勵三個單元，形成一個七單元陣列系統(tǒng)，這些單元之間的間隔還是半波長（圖2）。增加天線的尺寸來增加輻射圖的方向性，即通過增加天線長度來實現(xiàn)。這樣的結(jié)果是產(chǎn)生更窄波束，產(chǎn)生更高定向增益。由于這里僅增加了單元數(shù)量，定向增益的提高產(chǎn)生在相同方向上。相應(yīng)地，在偏離輻射方向中心的地方增益大大地降低，因此在方向?qū)蕰r所允許的誤差將很小。這種陣列天線的另一個優(yōu)勢是，系統(tǒng)可以在不改變結(jié)構(gòu)性設(shè)計的條件下改變信號發(fā)射方向。

圖1

圖1的定向增益集中在陣列中心線上，因為在這種情況下，激勵相位與輻射圖相位（圖中未表示出）是相同的。零相位差意味著輻射圖的迭加是一致的，因此四個或七個單元組成的系統(tǒng)很直觀。在沒有相同激勵電流，即有意地對每個單元的激勵電流逐個地采用一定相位偏移，這樣相位相加的結(jié)果將與陣列中心呈一定角度。

當(dāng)前實現(xiàn)相位調(diào)整的一個方法可以采用可編程移相器，其實現(xiàn)原理很簡單，即不斷地發(fā)送指令到移相器使波束很快地改變方向。因此，如果合理利用這個特點，該系統(tǒng)有很明顯的可利用優(yōu)勢。

數(shù)字波束成形

波束成形器（beam former）是一種能在振幅和相位上控制單元激勵的天線結(jié)構(gòu)，圖2提供了波束成形的一個基本示例。將圖1改變成圖2的系統(tǒng)，圖2增加了三個激勵單元。圖1中“關(guān)斷”的三個單元只是將其激勵信號編程到零。激勵信號有兩個變量可以改變：幅度和相位。這兩個量提高了控制的靈活性，調(diào)整主波束的滾降特性和旁瓣（side-lobe），增強信號的方向性，降低信號干擾。

天線單元有兩個可變量：振幅和相位，這些量可以用一個復(fù)指數(shù)來表示，即一般所知的復(fù)數(shù)加權(quán)值Wk，下標k是線性單元的數(shù)量。上面的討論說明了只要對電子移相器編程就能實現(xiàn)移相，而不必采用插入一定長度電纜或采用實現(xiàn)移相的無源電路。采用可變增益放大器（VGA），可以通過調(diào)整其增益的指令字來驅(qū)動，并具有某些開關(guān)約束。這些可調(diào)整變量的組合共同定義了波束成形的結(jié)構(gòu)。

數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用

圖2

以DSP形式來實現(xiàn)VGA和移相器單元，打開了在波束成形中嵌入各種智能特性之門。通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法和閉環(huán)動態(tài)特性可以提供天線的容限和可靠性，以及升級的靈活性。這些數(shù)學(xué)實現(xiàn)方法相比于模擬方法可能更快，且更有效。

天線所獲取的信號一般是射頻信號、微波和毫米波，很明顯這些頻率不是當(dāng)前數(shù)字處理技術(shù)所能處理的。因此，一個好的數(shù)字調(diào)制器和解調(diào)器一般都有一個數(shù)字電路來執(zhí)行調(diào)制/解調(diào)功能。在通信系統(tǒng)中，該工作是在解調(diào)器上完成。在先進的通信系統(tǒng)中，其接收器有一個射頻前端來實現(xiàn)信號下變頻，將其變換到A/D轉(zhuǎn)換器可以處理的頻率。其余的頻率變換是通過數(shù)字方式實現(xiàn)。

因此，我們有復(fù)數(shù)加權(quán)值和冪來產(chǎn)生一個在定向增益和方向上都具有很寬變化范圍的天線輻射圖。如果加權(quán)值具有自適應(yīng)特性，我們就能在閉環(huán)控制下通過自動修正使其效用最大化，并優(yōu)化一些功能特性，如最大化信噪比。

上面所討論的情形類似于自適應(yīng)均衡器，因為自適應(yīng)均衡器也采用復(fù)數(shù)加權(quán)值來減少符號間干擾。在均衡器的應(yīng)用中，我們會發(fā)送一個“訓(xùn)練序列”使均衡器熟悉信道特征，同樣，自適應(yīng)波束形成器在優(yōu)化其輻射圖所采用的技術(shù)中，我們也會用到類似的技術(shù)。

注意，符號間干擾受多信道傳播影響。均衡器和自適應(yīng)性天線提高了系統(tǒng)的性能，自適應(yīng)天線可以消除多信道干擾的影響，使之不能到達接收器。因此，可以看出支持自適應(yīng)均衡所開發(fā)的數(shù)字算法也能用于支持波束成形。

本文小結(jié)

如果天線能以上面的方式增強信號強度，或通過調(diào)整復(fù)數(shù)加權(quán)因素來增大蜂窩分割大小，在輻射圖上生成波束峰值和零信號區(qū)，我們就稱這種天線為智能天線。智能天線對無線系統(tǒng)的影響存在于兩個方面：首先，與其它鏈接預(yù)算相比，定向天線上有很多分貝的可用信號強度；它會采用先進的硬核技術(shù)從接收器前端設(shè)計中減少幾個額外的噪聲分貝，或減少1dB的數(shù)字調(diào)制解調(diào)器損耗。

盡管以前的信號發(fā)射時，蜂窩內(nèi)信號能量是均勻輻射，但其中大部分能量在樹葉和建筑之間反射而浪費掉，而智能天線用精準的波束來對準用戶天線，這意味著更高的信號強度和更少的信號干擾。這種可操控的輻射圖完全適合無線信道的動態(tài)特性，因為無線信道的特性通常處于不斷的變化之中。在第三代無線系統(tǒng)的設(shè)計過程中考慮這種技術(shù)特點。

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