智能天線去耦技術(shù)實(shí)證研究

【摘 要】智能天線技術(shù)作為下一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過將電波信號集中在某個特定的方向上，使收發(fā)之間建立起近似的點(diǎn)對點(diǎn)無線通信鏈路，為系統(tǒng)容量帶來的巨大的提升。詳細(xì)分析了智能天線技術(shù)特性;通過去耦化研究，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： TN929.5;TN821.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 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

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)由原來的單一語音傳輸發(fā)展到現(xiàn)在的集語音、數(shù)據(jù)、視頻、圖片等綜合信息的傳輸載體。每一種新的移動運(yùn)用產(chǎn)生都為移動網(wǎng)絡(luò)承載能力帶來一次新的壓力。自進(jìn)入21世紀(jì)以來 ，無線移動通信在全球范圍內(nèi)得到迅猛發(fā)展 ，移動用戶數(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網(wǎng)絡(luò)中的不斷延伸，讓移動通信網(wǎng)絡(luò)倍感吃力。人們對移動通信需求的增長一直遠(yuǎn)高于移動網(wǎng)絡(luò)承載能力的增長。在無線通信鏈路中，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(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，智能天線通過將電波信號集中在某個特定的方向上，使收發(fā)之間建立起近似的點(diǎn)對點(diǎn)無線通信鏈路，為系統(tǒng)容量帶來的巨大的提升。智能天線技術(shù)已經(jīng)成為下一代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。智能天線的引入，為無線通信系統(tǒng)帶來的空分復(fù)用的可能。即將空間劃分成不重疊的若干子空間，每個通信鏈路占用其中一個子空間，從而實(shí)現(xiàn)信號的無干擾傳輸。智能天線作為新的移動通信技術(shù)，是《基于MMC的海上全直流風(fēng)場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）。時分復(fù)用是將通信鏈路分成若干個時隙，每個用戶使用其中一個時隙，從而使多個用戶可以共用一個通信鏈路資源。頻分復(fù)用是利用各個頻率相互正交的特點(diǎn)，每個用戶使用的一個特定的頻率，通過混頻器將各個用戶不同頻率的信號同時通過一個通信鏈路傳輸，最后通過選頻將信號傳遞給特定用戶。碼分復(fù)用是按照一種特定編碼規(guī)則對信號進(jìn)行編碼，只有持有特定解碼串的用戶才能對已編碼的信號進(jìn)行識別認(rèn)知，其他沒有特定解碼串的用戶無法對該信號進(jìn)行認(rèn)知，從而實(shí)現(xiàn)信號的點(diǎn)對點(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，都是利用信號的時域、頻域信息來解決多用戶信號的干擾問題。這些技術(shù)包括時域均衡、碼匹配濾波、信道編碼等。無線通信過程中，信號在時域、頻域存在差異的同時，在空域也存在差異。最早人們利用空域不同來提升網(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，因此對空域資源的粗放式利用必須要變成精細(xì)化利用。通過智能天線能實(shí)現(xiàn)空間的精細(xì)化利用。智能天線通過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)，這不僅帶來了兩個通信用戶之間的信號增強(qiáng)，同時也使他們的電波信號對其他用戶的干擾降低。智能天線，借助有用信號和干擾信號在入射角度上的差異，通過賦予各個單元天線不同的權(quán)值，形成的合成信號主瓣對準(zhǔn)有用信號，低增益副瓣對準(zhǔn)主要的干擾信號，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)致的問題。

目前智能天線更多的是在基站使用。受制于移動臺的成本及大小尺寸，復(fù)雜及尺寸龐大的智能天線在移動臺的布置較為困難，因此目前移動臺一般是采用全向天線而不是智能天線。移動通信基站使用了智能天線之后，由于基站發(fā)出的無線電波信號是在基站和用戶之間的定向傳輸，這大大減少了對處在不同方位其他用戶的信號干擾，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天線單元組成的陣列天線，它的水平面方向圖可以通過對陣列中各個單元激勵的幅度和相位加權(quán)來確定。通過計(jì)算接收到的移動臺信號，可以得出移動臺信號的到達(dá)入射角（DOA）。智能天線通過相應(yīng)的調(diào)節(jié)各陣元激勵的幅度和相位來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到達(dá)方向，旁瓣或零陷指向干擾信號到達(dá)方向，從而近似實(shí)現(xiàn)基站與移動臺之間的點(diǎn)對對電波傳輸。基站端應(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、減少干擾信號的產(chǎn)生等[2]。

智能天線在工作時，它以高增益的窄波束來跟蹤期望用戶。智能天線將接受到的入射信號通過信號處理計(jì)算可以知道信號的入射方向，然后智能天線實(shí)時的將波束主瓣對準(zhǔn)信號入射方向，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放射總功率的情況下，提高信號接收電平。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，其信號檢測能力是比較滿意的。但是，如果背景噪聲不穩(wěn)定或有近場干擾時，其通信能力會迅速下降。自適應(yīng)濾波技術(shù)能夠很好的對抗這種噪聲干擾，它通過自適應(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)各個單元之間的耦合可以通過預(yù)先逆補(bǔ)償?shù)姆椒ㄈコＲ詢蓡卧炀€為例，對其原理進(jìn)行說明。圖2是一個兩單元天線去耦合原理圖。當(dāng)有相互耦合存在時，天線1工作時會產(chǎn)生一個激勵信號A，激勵信號A通過單元之間的耦合，作用到天線2上時，成為了信號A'。對于天線2來說，信號A'是干擾信號，應(yīng)設(shè)法去除。如果天線1在工作時在能產(chǎn)生信號A的同時，也能產(chǎn)生信號B，該信號B作用到天線2上時，成為了信號B'。那么在天線1工作時，將會有信號A和逆向的信號B同時作用于天線2，使得天線2同時獲得信號A'和信號B'。如果信號A'信號B'大小相等，方向相反，則天線1對于天線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)了一個模型用于驗(yàn)證，其模型如圖3所示。圖3是一個去耦合仿真模型，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)通過中間連線也，穿過過孔與地相連。其中，耦合網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型如圖4所示。天線1的激勵信號耦合到天線2時，通過去耦合網(wǎng)絡(luò)傳遞一個逆信號給天線1，這樣就可以消除天線1對天線2的影響了。

在圖4中，兩對C1和L1分別為兩個天線與耦合網(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。下面來分析等效電路中各個參數(shù)的影響。從電路中可以看出，C1和L2將會對隔離和帶寬帶來顯著影響。通過仿真得到，L1為1.5nH，C2為0.2pF。對比C1=0.25pF，L2=6nH和C1=0.45pF，L2=4nH時，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、近場耦合和遠(yuǎn)場耦合三種類型。改善天線的隔離度有正交極化法、阻隔法、消去法等。文章對去耦合的原理作了分析研究，并通過一個去耦合模型，驗(yàn)證了反向耦合去耦合的思路。通過在兩個天線之間，添加一個去耦合網(wǎng)絡(luò)，以消除天線間原有的耦合信號影響。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)】

[1]Liberti，J.C，馬涼，等.無線通信中的智能天線：IS-95和第3代CDMA運(yùn)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.8：78-79.

[2]汪茂穩(wěn)，郭寶平.一種新型寬頻多通道（MIMO）天線設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報，2013.4，29（2）：57-60.

[3]馬驍，周圍.第四代移動通信系統(tǒng)中的多輸入多輸出智能天線技術(shù)[J].山西電子技術(shù)，2006（5）：60-61.

※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)展行動計(jì)劃（XM-（2）348）。

作者簡介：蔣玲玲（1982—），女，安徽阜陽人，碩士研究生。