智能天線去耦技術(shù)實(shí)證研究

【摘 要】智能天線技術(shù)作為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過(guò)將電波信號(hào)集中在某個(gè)特定的方向上，使收發(fā)之間建立起近似的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信鏈路，為系統(tǒng)容量帶來(lái)的巨大的提升。詳細(xì)分析了智能天線技術(shù)特性;通過(guò)去耦化研究，建立了仿真模型，驗(yàn)證了反向耦合去耦合的一種思路。

【關(guān)鍵詞】智能天線;去耦技術(shù);仿真模型;實(shí)證分析

中圖分類號(hào)： TN929.5;TN821.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0073-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.034

【Abstract】As one of the key technologies of the next generation of mobile communication system， smart antenna technology enables the establishment of an approximate point-to-point wireless communication link between transceivers and receivers by concentrating the radio signal in a specific direction， which greatly improves the capacity of the system. The technical characteristics of smart antenna are analyzed in detail. Through decoupling research， a simulation model is established to verify the idea of reverse coupling decoupling.

【Key words】Smart antenna; Decoupling techniques; Simulation model; The empirical analysis

0 前言

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)由原來(lái)的單一語(yǔ)音傳輸發(fā)展到現(xiàn)在的集語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻、圖片等綜合信息的傳輸載體。每一種新的移動(dòng)運(yùn)用產(chǎn)生都為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)承載能力帶來(lái)一次新的壓力。自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái) ，無(wú)線移動(dòng)通信在全球范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展 ，移動(dòng)用戶數(shù)量劇增。尤其是以網(wǎng)絡(luò)電視，網(wǎng)絡(luò)視頻為代表的新媒體在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的不斷延伸，讓移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)倍感吃力。人們對(duì)移動(dòng)通信需求的增長(zhǎng)一直遠(yuǎn)高于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)承載能力的增長(zhǎng)。在無(wú)線通信鏈路中，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，將可以大大的提高通信效率，增加網(wǎng)絡(luò)容量，減少相互干擾。智能天線應(yīng)此而生，智能天線通過(guò)將電波信號(hào)集中在某個(gè)特定的方向上，使收發(fā)之間建立起近似的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信鏈路，為系統(tǒng)容量帶來(lái)的巨大的提升。智能天線技術(shù)已經(jīng)成為下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能天線的引入，為無(wú)線通信系統(tǒng)帶來(lái)的空分復(fù)用的可能。即將空間劃分成不重疊的若干子空間，每個(gè)通信鏈路占用其中一個(gè)子空間，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)干擾傳輸。智能天線作為新的移動(dòng)通信技術(shù)，是《基于MMC的海上全直流風(fēng)場(chǎng)虛擬同步控制的研究》的前期研究成果，也是該課題的通信手段之一。

1 智能天線技術(shù)分析

為了提高系統(tǒng)的承載能力，多采用分復(fù)用（TD）、頻分復(fù)用（FD）、碼分復(fù)用（CDMA）。時(shí)分復(fù)用是將通信鏈路分成若干個(gè)時(shí)隙，每個(gè)用戶使用其中一個(gè)時(shí)隙，從而使多個(gè)用戶可以共用一個(gè)通信鏈路資源。頻分復(fù)用是利用各個(gè)頻率相互正交的特點(diǎn)，每個(gè)用戶使用的一個(gè)特定的頻率，通過(guò)混頻器將各個(gè)用戶不同頻率的信號(hào)同時(shí)通過(guò)一個(gè)通信鏈路傳輸，最后通過(guò)選頻將信號(hào)傳遞給特定用戶。碼分復(fù)用是按照一種特定編碼規(guī)則對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，只有持有特定解碼串的用戶才能對(duì)已編碼的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別認(rèn)知，其他沒(méi)有特定解碼串的用戶無(wú)法對(duì)該信號(hào)進(jìn)行認(rèn)知，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸而不干擾其他用戶[1]。

智能天線在早期也被稱為相控陣天線或自適應(yīng)天線陣列，最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如雷達(dá)、聲納等軍事設(shè)備。在傳統(tǒng)的通信技術(shù)中，都是利用信號(hào)的時(shí)域、頻域信息來(lái)解決多用戶信號(hào)的干擾問(wèn)題。這些技術(shù)包括時(shí)域均衡、碼匹配濾波、信道編碼等。無(wú)線通信過(guò)程中，信號(hào)在時(shí)域、頻域存在差異的同時(shí)，在空域也存在差異。最早人們利用空域不同來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)帶寬的方法有采用定向扇形天線、天線分集、小區(qū)分裂等方法。這些都是對(duì)空域復(fù)用的初步技術(shù)。隨著用戶的增加，系統(tǒng)容量要求進(jìn)一步提升，因此對(duì)空域資源的粗放式利用必須要變成精細(xì)化利用。通過(guò)智能天線能實(shí)現(xiàn)空間的精細(xì)化利用。智能天線通過(guò)將普通天線的寬波束變成窄波束，使輻射能量集中在有效的范圍內(nèi)，這不僅帶來(lái)了兩個(gè)通信用戶之間的信號(hào)增強(qiáng)，同時(shí)也使他們的電波信號(hào)對(duì)其他用戶的干擾降低。智能天線，借助有用信號(hào)和干擾信號(hào)在入射角度上的差異，通過(guò)賦予各個(gè)單元天線不同的權(quán)值，形成的合成信號(hào)主瓣對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，低增益副瓣對(duì)準(zhǔn)主要的干擾信號(hào)，從而提高通信質(zhì)量，并有效的抑制干擾。另外，應(yīng)用智能天線技術(shù)和多通道（MIMO）天線技術(shù)可以減少或消除電磁多經(jīng)傳播導(dǎo)致的問(wèn)題。

目前智能天線更多的是在基站使用。受制于移動(dòng)臺(tái)的成本及大小尺寸，復(fù)雜及尺寸龐大的智能天線在移動(dòng)臺(tái)的布置較為困難，因此目前移動(dòng)臺(tái)一般是采用全向天線而不是智能天線。移動(dòng)通信基站使用了智能天線之后，由于基站發(fā)出的無(wú)線電波信號(hào)是在基站和用戶之間的定向傳輸，這大大減少了對(duì)處在不同方位其他用戶的信號(hào)干擾，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量由此可以得到很大的提升。應(yīng)用于基站端的智能天線是由多個(gè)天線單元組成的陣列天線，它的水平面方向圖可以通過(guò)對(duì)陣列中各個(gè)單元激勵(lì)的幅度和相位加權(quán)來(lái)確定。通過(guò)計(jì)算接收到的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)，可以得出移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的到達(dá)入射角（DOA）。智能天線通過(guò)相應(yīng)的調(diào)節(jié)各陣元激勵(lì)的幅度和相位來(lái)改變陣列的天線方向圖，將天線波束主瓣方向指向用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷指向干擾信號(hào)到達(dá)方向，從而近似實(shí)現(xiàn)基站與移動(dòng)臺(tái)之間的點(diǎn)對(duì)對(duì)電波傳輸?；径藨?yīng)用智能天線的運(yùn)用可以提高信道容量、增加頻譜重復(fù)利用率、擴(kuò)大基站覆蓋范圍、抗多徑干擾、減少干擾信號(hào)的產(chǎn)生等[2]。

智能天線在工作時(shí)，它以高增益的窄波束來(lái)跟蹤期望用戶。智能天線將接受到的入射信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理計(jì)算可以知道信號(hào)的入射方向，然后智能天線實(shí)時(shí)的將波束主瓣對(duì)準(zhǔn)信號(hào)入射方向，從而將電磁能量集中在有效的通信路徑中，這可以在不增加信號(hào)放射總功率的情況下，提高信號(hào)接收電平。這也表現(xiàn)為信噪比的提高。也被稱為空域?yàn)V波技術(shù)。在多波束系統(tǒng)中，如果噪聲是均勻分布、各向同性的，其信號(hào)檢測(cè)能力是比較滿意的。但是，如果背景噪聲不穩(wěn)定或有近場(chǎng)干擾時(shí)，其通信能力會(huì)迅速下降。自適應(yīng)濾波技術(shù)能夠很好的對(duì)抗這種噪聲干擾，它通過(guò)自適應(yīng)算法能夠得出最佳權(quán)值矢量，從而很好的抑制噪聲干擾。

2 智能天線去耦設(shè)計(jì)

2.1 耦合網(wǎng)絡(luò)

在天線端口與饋電端口之間加入一個(gè)去耦合網(wǎng)絡(luò)，可以減小各單元之間的相互影響。圖1是天線去耦合網(wǎng)絡(luò)示意圖，在天線陣的輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)之間添加了一個(gè)去耦合網(wǎng)絡(luò)，以抵消天線單元間的耦合影響。

2.2 去耦合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

多天線系統(tǒng)各個(gè)單元之間的耦合可以通過(guò)預(yù)先逆補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈコ?。以兩單元天線為例，對(duì)其原理進(jìn)行說(shuō)明。圖2是一個(gè)兩單元天線去耦合原理圖。當(dāng)有相互耦合存在時(shí)，天線1工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)信號(hào)A，激勵(lì)信號(hào)A通過(guò)單元之間的耦合，作用到天線2上時(shí)，成為了信號(hào)A'。對(duì)于天線2來(lái)說(shuō)，信號(hào)A'是干擾信號(hào)，應(yīng)設(shè)法去除。如果天線1在工作時(shí)在能產(chǎn)生信號(hào)A的同時(shí)，也能產(chǎn)生信號(hào)B，該信號(hào)B作用到天線2上時(shí)，成為了信號(hào)B'。那么在天線1工作時(shí)，將會(huì)有信號(hào)A和逆向的信號(hào)B同時(shí)作用于天線2，使得天線2同時(shí)獲得信號(hào)A'和信號(hào)B'。如果信號(hào)A'信號(hào)B'大小相等，方向相反，則天線1對(duì)于天線2的干擾可以被消除[3]。

2.3 驗(yàn)證模型的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)模型用于驗(yàn)證，其模型如圖3所示。圖3是一個(gè)去耦合仿真模型，天線1和天線2以及去耦合網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在Rogers R04003基板上，介電常數(shù)為3.55，板厚為1.5mm。兩天線內(nèi)邊距離為17mm。基板的背面下方有銅片，作為地。耦合網(wǎng)絡(luò)通過(guò)中間連線也，穿過(guò)過(guò)孔與地相連。其中，耦合網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型如圖4所示。天線1的激勵(lì)信號(hào)耦合到天線2時(shí)，通過(guò)去耦合網(wǎng)絡(luò)傳遞一個(gè)逆信號(hào)給天線1，這樣就可以消除天線1對(duì)天線2的影響了。

在圖4中，兩對(duì)C1和L1分別為兩個(gè)天線與耦合網(wǎng)絡(luò)之間的互電容和互電感，C2是感應(yīng)元件的自電容，L2為接地電感。下面來(lái)分析等效電路中各個(gè)參數(shù)的影響。從電路中可以看出，C1和L2將會(huì)對(duì)隔離和帶寬帶來(lái)顯著影響。通過(guò)仿真得到，L1為1.5nH，C2為0.2pF。對(duì)比C1=0.25pF，L2=6nH和C1=0.45pF，L2=4nH時(shí)，可以看出，端口的S11值后者明顯低于前者。由此知，增加互電容C1可以明顯的提高耦合網(wǎng)絡(luò)的帶寬。通過(guò)合理調(diào)節(jié)，可以使去耦合網(wǎng)絡(luò)工作在2.4GHz頻帶范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

互耦分析方法常用有阻抗矩陣、開(kāi)路電壓和散射矩陣法三種。天線之間的耦合有表面波耦合、近場(chǎng)耦合和遠(yuǎn)場(chǎng)耦合三種類型。改善天線的隔離度有正交極化法、阻隔法、消去法等。文章對(duì)去耦合的原理作了分析研究，并通過(guò)一個(gè)去耦合模型，驗(yàn)證了反向耦合去耦合的思路。通過(guò)在兩個(gè)天線之間，添加一個(gè)去耦合網(wǎng)絡(luò)，以消除天線間原有的耦合信號(hào)影響。實(shí)例證明，去耦合網(wǎng)絡(luò)有效的消除天線間的耦合影響。

【參考文獻(xiàn)】

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※基金項(xiàng)目：安徽省高校自然科學(xué)基金·資助項(xiàng)目（KJ2017A582）;安徽省教育廳高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（XM-（2）348）。

作者簡(jiǎn)介：蔣玲玲（1982—），女，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生。