TD-LTE智能天線性能分析和應(yīng)用研究

王浩年 符新 周巍 姜文博

【摘要】 智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場的雙向天線，通過一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺之間各個(gè)鏈路的方向特性。TD- SCDMA最大的優(yōu)勢是把相控陣?yán)走_(dá)天線的原理搬到蜂窩移動(dòng)通信的智能天線上來，過去2G、3G天線大多采用單頻道的天線，本文研究的LTE只能天線是一種多陣列、緊湊型、雙極化的天線，因此，充分利用多陣列的特點(diǎn)就可以打造更好的網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)蜂窩電話有三個(gè)扇區(qū)，一個(gè)扇區(qū)覆蓋120度，兩個(gè)扇區(qū)之間重疊是弱信號區(qū)，要改善這一區(qū)域是非常困難的，作為2G或3G天線，不同的場合要用不同度數(shù)的天線，更換起來非常麻煩，但是智能天線則不同，它僅有一個(gè)天線，在不同的環(huán)境、不同的場景中，我們可以通過基站的軟件設(shè)置、電場設(shè)置就可以改變。

【關(guān)鍵詞】 智能天線 多陣列 雙極化 扇區(qū)

一、概述

隨著技術(shù)的發(fā)展，智能天線在TD-LTE系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了越來越多的關(guān)注[1]。智能天線的性能和其他關(guān)鍵技術(shù)的結(jié)合、兼容性以及帶來的問題等都成為研究熱點(diǎn)。智能天線采用空分多址方式進(jìn)行空間信號處理技術(shù)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的用戶區(qū)分開來，它的基礎(chǔ)是用戶信號的空間特征。將其和其他多址技術(shù)結(jié)合，可以最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動(dòng)通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散、衰落、多徑、同信道干擾等，使通信質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響。

天線波束下傾是解決上述問題的主要方式，通過改變天線垂直方向圖主瓣的指向，使其主瓣指向覆蓋小區(qū)，零點(diǎn)或者副瓣對準(zhǔn)受其干擾的同頻小區(qū)，這樣既改善了小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的信號強(qiáng)度，又減小了對其他同頻小區(qū)的干擾，提高了系統(tǒng)的頻率復(fù)用能力，增加了系統(tǒng)的容量[2]。智能天線的電調(diào)化使得無需機(jī)械調(diào)節(jié)即能達(dá)到直接波束下傾的效果，并使天線下傾角調(diào)節(jié)不僅可以在通信塔現(xiàn)場進(jìn)行，也可以選擇在機(jī)房中通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程完成[3]。因此，電調(diào)智能天線使TDLTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作更加快捷和便利。

二、相控陣天線理論

2.1 天線概論

天線的作用是將饋線（電纜、波導(dǎo)等）中的導(dǎo)波場轉(zhuǎn)換成空間輻射場，并接收目標(biāo)反射的空間回波，將回波能量轉(zhuǎn)換成導(dǎo)波場，由饋線送入接收系統(tǒng)[4]。評估天線性能的主要參數(shù)包括天線輻射方向圖、增益、極化、帶寬、掃描等。

天線方向圖F（e，40）給出了天線遠(yuǎn)場功率密度隨角度的變化。天線方向圖根據(jù)主瓣形狀分為全向波束、筆形波束、扇形波束和賦形波束四大類。通信天線中圓陣天線所形成的即為全向波束，面陣天線業(yè)務(wù)波束為筆形波束，廣播波束為扇形波束，俯仰面為上零點(diǎn)填充下副瓣抑制為賦形波束。從天線輻射方向圖我們可以得到天線主瓣半功率波束寬度HPBW、副瓣SLL、波束指向等體現(xiàn)天線性能的幾項(xiàng)主要參數(shù)[5]。

天線增益G是天線最重要的參數(shù)，體現(xiàn)了天線將輻射能量集中照射在某個(gè)方向的能力。增益與天線的口徑面積成正比，與工作波長的平方成反比。在工作頻率一定的情況下，天線的口徑尺寸越大，天線的增益越高；同樣，在口徑尺寸一定時(shí)，工作頻率越高，天線增益越高。

天線的極化方向定義為電場矢量的方向。如果電場矢量沿直線往返運(yùn)動(dòng)，就是線極化，線極化又分為水平線極化和垂直線極化。如果電場矢量的長度恒定而繞圓圈旋轉(zhuǎn)，就是圓極化。如果波朝觀察者方向行進(jìn)且順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則為左旋圓極化；如果是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，則為右旋圓極化。橢圓極化可以看成不完全的圓極化，其電場矢量的運(yùn)行軌跡是橢圓。根據(jù)互易定理，天線的發(fā)射和接收必須極化匹配。極化的純度也是天線設(shè)計(jì)過程中必須考慮的，例如水平極化天線也會在某些方向產(chǎn)生少量與之正交的垂直極化，在此我們將所需要的水平極化稱之為主極化，不希望的垂直極化稱之為交叉極化。交叉極化會引起雜波、干擾等問題，需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行控制。

2.2 陣列天線

陣列天線是一類由不少于兩個(gè)天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列并通過適當(dāng)激勵(lì)獲得預(yù)定輻射特性的特殊天線。組成陣列的可以是線元、口徑面元、微帶貼片等各種形式的輻射單元。陣列規(guī)?？梢允菐讉€(gè)甚至幾十萬個(gè)輻射單元。人們可以通過選擇和優(yōu)化輻射單元的結(jié)構(gòu)形狀、排列方式和饋電幅相得到單個(gè)天線難以提供的優(yōu)異轄射特性。陣列天線是相控陣天線的基礎(chǔ)[6]。

圖2.1給出兩個(gè)間距為s，等幅同相激勵(lì)的各向同性單元。輸入單位功率時(shí)，它們的電場矢量作為e的函數(shù)在遠(yuǎn)區(qū)相加。其矢量和即是輻射方向圖。

2.3 相控陣天線

相控陣天線是由許多輻射單元排列成陣所構(gòu)成的陣列天線，各單元的幅度激勵(lì)和相位關(guān)系可控。在一維直線上排列若干輻射單元形成的陣列即為線陣；在二位平面上排列若干輻射單元稱為平面陣；輻射單元排列在曲線或者曲面上，則構(gòu)成共形陣。共形陣則可以突破一般線陣和平面陣掃描范圍的限制，實(shí)現(xiàn)更大空域電掃。典型的相控陣天線利用數(shù)字控制移相器改變天線陣元相位分布來實(shí)現(xiàn)波束的快速掃描[7]。

相控陣天線的主要技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢在于：

（1）天線波束的快速掃描能力

相控陣天線的快速掃描能力是促使相控陣?yán)走_(dá)推廣應(yīng)用和高速發(fā)展的基本原因。這一能力基于陣列天線及陣列中各天線單元通道之間的信號傳輸相位快速變化能力，對于采用數(shù)字移相器的相控陣天線，一般可以在幾個(gè)微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)波束形成和波束位置轉(zhuǎn)換。

（2）天線波束形狀的捷變能力

天線方向圖函數(shù)是口徑照射函數(shù)的傅立葉變換，通過改變陣列各單元通道內(nèi)的信號幅度和相位，即可改變天線波束形狀。天線波束形狀的捷變能力使得相控陣天線快速實(shí)現(xiàn)波束賦形，從而具有快速自適應(yīng)空間濾波的功能。

（3）空間功率合成能力

用相控陣天線，可在每一單元通道或每個(gè)天線子陣上設(shè)置一個(gè)發(fā)射功率放大器，依靠移相器的相位變化，使發(fā)射天線波束定向照射，即發(fā)射信號聚焦于空間某一方向。這一特點(diǎn)為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便和靈活性，解決了超遠(yuǎn)程微波及毫米波雷達(dá)所需超高功率的實(shí)現(xiàn)問題。

（4）天線與雷達(dá)平臺共形能力

陣列天線將整個(gè)天線分為許多各天線單元，如果將其與雷達(dá)平臺表明共形，可以減少或消除天線對雷達(dá)平臺空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響。相控陣天線為共形陣各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)保證。采用先進(jìn)信號處理的有源共形相控陣天線在雷達(dá)和通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。

（5）多波束形成能力

相控陣天線通過轉(zhuǎn)換波控信號，可以很方便的在一個(gè)重復(fù)周期內(nèi)形成指向不同的多個(gè)發(fā)射波束。形成多個(gè)接收波束則可以通過將通道內(nèi)信號經(jīng)低噪放放大后分別送入多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。多波束以及波束形狀捷變，為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)性能提升增加了新的潛力。

（6）相控陣?yán)走_(dá)的分散布置能力

將相控陣天線的概念加以引申，一步相控陣?yán)走_(dá)有多部分散布置的子雷達(dá)構(gòu)成，在各子雷達(dá)天線之間采用相應(yīng)的時(shí)間、相位和幅度補(bǔ)償，依靠先進(jìn)的信號處理辦法，獲得更有的抗干擾能力、角度分辨力等，是今后相控陣?yán)走_(dá)發(fā)展的一個(gè)重要方向[9]。

三、誤差分析

當(dāng)相位或幅度存在誤差時(shí)，會對天線的副瓣電平、波束指向、增益等產(chǎn)生影響。誤差通常有兩類：隨機(jī)誤差和相關(guān)誤差。隨機(jī)誤差通常是受元器件極限精度限制而產(chǎn)生的非相關(guān)的幅相誤差，如因移相器、饋電網(wǎng)絡(luò)、輻射單元和機(jī)械結(jié)構(gòu)而引起誤差。建造低副瓣天線的任務(wù)要求把每一種幅度誤差和相位誤差盡量減小。天線陣列的單元數(shù)目越少，誤差對天線性能的影響就越大，因此誤差容限就越嚴(yán)格。相關(guān)誤差會造成高電平的峰值副瓣，對天線性能的影響程度更大。有移相器引起的周期性相位誤差就是典型的相關(guān)誤差。相控陣天線因?yàn)殛嚵幸?guī)模大，成本高，常采用子陣形式，子陣結(jié)構(gòu)的周期性會導(dǎo)致較高電平的周期性柵瓣，是我們在設(shè)計(jì)過程中必須盡量避免的。

四、總結(jié)

從繼承和發(fā)展體現(xiàn)TDD技術(shù)優(yōu)勢的多天線波束賦形技術(shù)、充分優(yōu)化LTE性能并有效控制干擾以及工程建設(shè)需求的三重驅(qū)動(dòng)下，在TD-LTE中如何發(fā)展和用好智能天線技術(shù)將成為未來技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，對于智能多天線技術(shù)在LTE中應(yīng)用的研究仍處于初期，后繼在推廣及應(yīng)用過程中還有很多具體問題需要克服和解決，包括標(biāo)準(zhǔn)化的完善、關(guān)鍵性能測試及驗(yàn)證等?？偟膩砜?，智能天線技術(shù)在TD-LTE中的研究和應(yīng)用必將為未來TDD技術(shù)在LTE制式的競爭和發(fā)展中發(fā)揮重要而獨(dú)特的作用。

參考文獻(xiàn)

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