智能天線技術(shù)的特點(diǎn)及對(duì)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(gè)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(lì)，那么將可以同步地對(duì)這些天線單元調(diào)整，線性陣列的各個(gè)單元是均衡一致的。

天線陣列

圖1所示是一個(gè)四單元線性陣列，其中每個(gè)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(dòng)每個(gè)單元（相同幅度和相位激勵(lì)）。采用多個(gè)單元組成一個(gè)天線陣列與單個(gè)全向天線單元相比有效尺寸更大，這種天線具有更強(qiáng)方向性的總輻射圖。

天線陣列的輻射圖是每個(gè)單元輻射圖的總和，每個(gè)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(shí)現(xiàn)正確的信號(hào)接收。這也使得在生產(chǎn)這類天線時(shí)，一種天線尺寸可以適用于多種用途。即可以建立一個(gè)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(lì)的方式來改變輻射圖的形成。

再進(jìn)一步討論方向性問題。假設(shè)圖1中的陣列實(shí)際上是由八個(gè)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(lì)。現(xiàn)在，再激勵(lì)三個(gè)單元，形成一個(gè)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(shí)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)?zhǔn)時(shí)所允許的誤差將很小。這種陣列天線的另一個(gè)優(yōu)勢是，系統(tǒng)可以在不改變結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)的條件下改變信號(hào)發(fā)射方向。

圖1

圖1的定向增益集中在陣列中心線上，因?yàn)樵谶@種情況下，激勵(lì)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(gè)或七個(gè)單元組成的系統(tǒng)很直觀。在沒有相同激勵(lì)電流，即有意地對(duì)每個(gè)單元的激勵(lì)電流逐個(gè)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(shí)現(xiàn)相位調(diào)整的一個(gè)方法可以采用可編程移相器，其實(shí)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(gè)特點(diǎn)，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(lì)的天線結(jié)構(gòu)，圖2提供了波束成形的一個(gè)基本示例。將圖1改變成圖2的系統(tǒng)，圖2增加了三個(gè)激勵(lì)單元。圖1中“關(guān)斷”的三個(gè)單元只是將其激勵(lì)信號(hào)編程到零。激勵(lì)信號(hào)有兩個(gè)變量可以改變：幅度和相位。這兩個(gè)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(qiáng)信號(hào)的方向性，降低信號(hào)干擾。

天線單元有兩個(gè)可變量：振幅和相位，這些量可以用一個(gè)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(biāo)k是線性單元的數(shù)量。上面的討論說明了只要對(duì)電子移相器編程就能實(shí)現(xiàn)移相，而不必采用插入一定長度電纜或采用實(shí)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(dòng)，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(shí)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(dòng)態(tài)特性可以提供天線的容限和可靠性，以及升級(jí)的靈活性。這些數(shù)學(xué)實(shí)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(hào)一般是射頻信號(hào)、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(gè)好的數(shù)字調(diào)制器和解調(diào)器一般都有一個(gè)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(jìn)的通信系統(tǒng)中，其接收器有一個(gè)射頻前端來實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(shí)現(xiàn)。

因此，我們有復(fù)數(shù)加權(quán)值和冪來產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)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?yàn)樽赃m應(yīng)均衡器也采用復(fù)數(shù)加權(quán)值來減少符號(hào)間干擾。在均衡器的應(yīng)用中，我們會(huì)發(fā)送一個(gè)“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(huì)用到類似的技術(shù)。

注意，符號(hào)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(dá)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(qiáng)信號(hào)強(qiáng)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(hào)區(qū)，我們就稱這種天線為智能天線。智能天線對(duì)無線系統(tǒng)的影響存在于兩個(gè)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(hào)強(qiáng)度；它會(huì)采用先進(jìn)的硬核技術(shù)從接收器前端設(shè)計(jì)中減少幾個(gè)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(hào)發(fā)射時(shí)，蜂窩內(nèi)信號(hào)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(fèi)掉，而智能天線用精準(zhǔn)的波束來對(duì)準(zhǔn)用戶天線，這意味著更高的信號(hào)強(qiáng)度和更少的信號(hào)干擾。這種可操控的輻射圖完全適合無線信道的動(dòng)態(tài)特性，因?yàn)闊o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(jì)過程中考慮這種技術(shù)特點(diǎn)。

責(zé)任編輯：gt