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(chǎng)的雙向天線，通過(guò)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(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。TD- SCDMA最大的優(yōu)勢(shì)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(lái)，過(guò)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(hào)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(chǎng)合要用不同度數(shù)的天線，更換起來(lái)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(chǎng)景中，我們可以通過(guò)基站的軟件設(shè)置、電場(chǎng)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(lái)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(lái)的問(wèn)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(hào)處理技術(shù)，利用在信號(hào)傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的用戶(hù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，它的基礎(chǔ)是用戶(hù)信號(hào)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(duì)電波傳播的影響，大量用戶(hù)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(wèn)題的主要方式，通過(guò)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(duì)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(hào)強(qiáng)度，又減小了對(duì)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(wú)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(chǎng)進(jìn)行，也可以選擇在機(jī)房中通過(guò)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(chǎng)轉(zhuǎn)換成空間輻射場(chǎng)，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(chǎng)，由饋線送入接收系統(tǒng)[4]。評(píng)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(chǎng)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(lèi)。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(zhǎng)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(chǎng)矢量的方向。如果電場(chǎng)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(chǎng)矢量的長(zhǎng)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(chǎng)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(guò)程中必須考慮的，例如水平極化天線也會(huì)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(chēng)之為主極化，不希望的垂直極化稱(chēng)之為交叉極化。交叉極化會(huì)引起雜波、干擾等問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行控制。

2.2 陣列天線

陣列天線是一類(lèi)由不少于兩個(gè)天線單元規(guī)則或隨機(jī)排列并通過(guò)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)模可以是幾個(gè)甚至幾十萬(wàn)個(gè)輻射單元。人們可以通過(guò)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(chǎng)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(chēng)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(lái)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(shì)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(hào)傳輸相位快速變化能力，對(duì)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(guò)改變陣列各單元通道內(nèi)的信號(hào)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(hào)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(lái)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(wèn)題。

（4）天線與雷達(dá)平臺(tái)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(tái)表明共形，可以減少或消除天線對(duì)雷達(dá)平臺(tái)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(hào)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(guò)轉(zhuǎn)換波控信號(hào)，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(guò)將通道內(nèi)信號(hào)經(jīng)低噪放放大后分別送入多個(gè)波束形成網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(hào)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(huì)對(duì)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(lèi)：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(duì)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(huì)造成高電平的峰值副瓣，對(duì)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(huì)導(dǎo)致較高電平的周期性柵瓣，是我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)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(shì)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(lái)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，對(duì)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(guò)程中還有很多具體問(wèn)題需要克服和解決，包括標(biāo)準(zhǔn)化的完善、關(guān)鍵性能測(cè)試及驗(yàn)證等。總的來(lái)看，智能天線技術(shù)在TD-LTE中的研究和應(yīng)用必將為未來(lái)TDD技術(shù)在LTE制式的競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展中發(fā)揮重要而獨(dú)特的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬穎.TD-LTE基站智能天線性能分析[J]. 電信科學(xué)， 2012，11.

[2] 堯文彬. TD-LTE室外天饋系統(tǒng)解決方案探究[J]. 2013年信息通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)委員會(huì)年會(huì)論文集，2013

[3] 蒲曉維，劉旭，白昱，宋林所 .TD-LTE天線HBW在典型場(chǎng)景下的仿真評(píng)估[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2013，7

[4] 董炎杰. A STUDY OF BS ANTENNA CONFIGURATION IN TD-LTE SYSTEMV [J]. 2011年IEEE通信技術(shù)與應(yīng)用國(guó)際大會(huì)（IEEE ICCTA2009），2011

[5] 熊兵.自適應(yīng)天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用研究，西安電子科技大學(xué)碩士論文，2002

[6] 李世鶴.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[M].第2版.北京：人民郵電出版社，2003

[7] 吳津鐘，鄭智，陳明.智能天線技術(shù)對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)容量的影響[J].通信工程，2006（1）：11-13

[8] 張興華，郭俊能.TD-SCDMA中的智能天線技術(shù)[J].移動(dòng)通信，2003，27（12）：32-33

[9] 劉明罡，馮正和，電下傾天線改善蜂窩系統(tǒng)性能的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，20（3）：316-320