智能天線技術的研究

王海濤

摘 要：經濟的快速發展及電子技術的進步使得通信技術相較于以往取得了長足的發展，尤其是智能天線在移動通信系統中的應用使得移動網絡在語音通信、數據傳輸方面都得取得良好的應用效果。智能天線技術是新一代移動通信系統中最為重要也是最為核心的環節。通過智能天線的應用能夠有效地增大移動通信系統的容納量，其通過對頻譜資源進行合理的利用，從而使得移動通信系統能夠發揮出更好的效果。智能天線得以發揮良好應用效果的核心主要是由于自適應波束形額成器在其中的應用。自適應波束形額成器在使用時通過對用于信號的來波方向進行分析，從而將通信的主波束對準所期望的方向，自適應波束形額成器中的旁瓣或是零陷則對準干擾信號的來向。從而最大限度地提高通信的質量。文章在分析智能天線特點的基礎上智能天線的應用原理進行分析闡述。

關鍵詞：智能天線；自適應波束形額成器；研究

1 智能天線陣元模型簡述

在智能天線的陣元模型中根據單元所布置形式的不同可以將其分為直線陣列、圓形陣列以及方形陣列等多種類型。直線陣列是一種在智能天線陣元布置中采用較多的一種布陣方式，在這一形式中通過將多個互相分離的單元的中心按照一條直線進行排列，在排列中采用較多的是均勻排列的方式。采用此種振元分布方式，各分布單元的電流、相位等都呈現出等差級數分布的特點，且各單元都會依次超前或滯后一個相同的角度α。圓形陣列也是在智能天線中采用較多的振元排布方式，其多應用于相控陣雷達、無線電定位、聲納等的系統中，當采用圓形的智能天線振元排布方式時由于其是平面陣列，因此其能夠對周邊進行360°全方位角的覆蓋，此外，采用此種方式還能夠通過對收集到的數據進行分析的基礎上對信號源的俯仰角進行相應的估算。此外，采用此種振元排布形式其在進行平面旋轉時波束形狀能夠較為穩定的進行工作，且圓環陣既能形成的360°全方向的方向圖也能形成單向波束因此能夠在掃描領域體現出較強的優勢。通過在智能天線中沿著X、Y方向分別布設（M×N）個無方向性陣元從而構成方形陣列，令陣元均為各向同性陣元。第（m，n）陣元的坐標為（（m-1）dx，（n-1）dy），其中dx表示x軸方向上各振元之間的間隔，dy所表示的意義與dx相同表示的是y軸方向上各振元之間的間隔.x，y軸方向上所組成的陣列的參考點位于原點。

2 智能天線基本工作原理分析

智能天線主要工作模式分為波束形成系統和自適應波束形成系統兩種實現形式。其工作原理如圖1所示。

切換波束形成系統通過利用多個預定義的并行波束實現整個區域用戶的全覆蓋，各并行波束所指向的方向和寬度都是預先設定且相對固定的。當進行移動通信時，如通信的信號在信號覆蓋范圍內進行移動為確保取得良好的通信質量，切換波束陣列系統會通過計算選擇最優信號接收方式，通過在在預定義的并行波束中選擇能夠使接收信號電平最強的波束。通過所選用并行波束同時實現以移動通信信號的傳輸，從而獲取良好的通信質量。采用此系統來進行通信的優點在于通過預定義的固定波束來實現各波束之間的最優切換，這一模式的采用實現的成本較低且技術易于實現，能夠與現有基站進行較為方便的連接，不足之處則是無法對移動通信信號進行自適應跟蹤。

自適應波束形成系統主要由前端天線陣列和中央信號處理器所組成，兩者之間形成一個閉環形式的反饋系統。反饋控制模塊通過依靠某種判決準則（代價函數）動態地調整天線陣列的權值來調整天線的方向圖，從而確保用戶在通信時能夠將方向圖的最大增益方向對準期望用戶，從而確保最佳通信質量。簡單來說就是在智能天線通信的過程中會包含有多種成分，既包含有期望振元所接收到的電磁信號也包含有其他因振元位置差異而存在的相角超前或是滯后及相位差，為實現信號的良好通信在經過計算后對相應振元的相角和相位進行一系列的調整，而反饋單元主要實現的是通過輸出與期望信號的誤差來實現對于控制加權參數的調節，以此來將智能天線的輸出信號調整為最佳接收模式。

3 智能天線LMS算法

根據上述兩種通信模式的不同可以將智能天線的通信算法分為傳統自適應算法與基于波源方向 （DOA）和空間特征檢測的控制算法兩大類，其中傳統自適應控制算法主要是通過對陣列輸出和信號特征 （如信干比SIR、信號包絡、信號強度、與參考信號的誤差等）進行相應的檢測，并通過算法來對其中某些不達標的信號特征進行相應的調節。為實現對于信號的調節可以通過采用最小均方算法（（LMS），遞歸最小平方算法（（RLS）和恒模算法（CMA）等的調整方案。一般來說，通過先期測量來對本地參考信號進行一定的設定來實現對于陣列權矢量的調整從而將陣列輸出與參考信號的誤差均方值降至最低。

4 結束語

智能天線是移動通信的核心，通過提高頻譜的利用率，能夠有效的環節頻譜資源匱乏所帶來的通信不足缺陷，并同時提升移動通信系統的系統容量和通信質量。本文在分析智能天線特點的基礎上對LMS算法進行了分析介紹，并通過計算機仿真的方式對其通信性能進行了驗證。

參考文獻

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