利用天线阵列与智能天线技术提高信号传输稳定性

在2月16-29期《点波束和天线阵列特性分析》一文中介绍了天线辐射图和阵列的概念，本文将介绍线性天线阵列、波束成形和智能天线技术及其应用。正确利用这些天线技术可以有效改善无线链路质量，提高信号传输的稳定性。

天线阵列是一组发射单元组成的天线系统。如果这些天线单元都相同，例如在全向阵列中，如果它们在一个轴上相互间隔距离相同，那么该阵列天线就称为线性阵列。此外，如果这些单元是由同一根电线上的电流所激励，那么将可以同步地对这些天线单元调整，线性阵列的各个单元是均衡一致的。

天线阵列

图1所示是一个四单元线性阵列，其中每个单元都是全向天线，单元之间以半波长分隔，假定采用相同电流来驱动每个单元(相同幅度和相位激励)。采用多个单元组成一个天线阵列与单个全向天线单元相比有效尺寸更大，这种天线具有更强方向性的总辐射图。

天线阵列的辐射图是每个单元辐射图的总和，每个单元的辐射图如图1所绘出的虚线圆所示。定向增益产生在这些单元之间的中线上。

这里值得注意的是，同一组物理阵列单元可以形成不同的天线辐射图，这样可以允许接收器调整波束方向以实现正确的信号接收。这也使得在生产这类天线时，一种天线尺寸可以适用于多种用途。即可以建立一个基本的单元结构，单元形成的辐射图可以由用户通过调整单元激励的方式来改变辐射图的形成。

再进一步讨论方向性问题。假设图1中的阵列实际上是由八个天线单元组成，单元间隔为半波长，其中一半的单元没有被激励。现在，再激励三个单元，形成一个七单元阵列系统，这些单元之间的间隔还是半波长(图2)。增加天线的尺寸来增加辐射图的方向性，即通过增加天线长度来实现。这样的结果是产生更窄波束，产生更高定向增益。由于这里仅增加了单元数量，定向增益的提高产生在相同方向上。相应地，在偏离辐射方向中心的地方增益大大地降低，因此在方向对准时所允许的误差将很小。这种阵列天线的另一个优势是，系统可以在不改变结构性设计的条件下改变信号发射方向。

图1的定向增益集中在阵列中心线上，因为在这种情况下，激励相位与辐射图相位(图中未表示出)是相同的。零相位差意味着辐射图的迭加是一致的，因此四个或七个单元组成的系统很直观。在没有相同激励电流，即有意地对每个单元的激励电流逐个地采用一定相位偏移，这样相位相加的结果将与阵列中心呈一定角度。

当前实现相位调整的一个方法可以采用可编程移相器，其实现原理很简单，即不断地发送指令到移相器使波束很快地改变方向。因此，如果合理利用这个特点，该系统有很明显的可利用优势。

数字波束成形

波束成形器(beam former)是一种能在振幅和相位上控制单元激励的天线结构，图2提供了波束成形的一个基本示例。将图1改变成图2的系统，图2增加了三个激励单元。图1中“关断”的三个单元只是将其激励信号编程到零。激励信号有两个变量可以改变：幅度和相位。这两个量提高了控制的灵活性，调整主波束的滚降特性和旁瓣(side-lobe)，增强信号的方向性，降低信号干扰。

天线单元有两个可变量：振幅和相位，这些量可以用一个复指数来表示，即一般所知的复数加权值W_k，下标k是线性单元的数量。上面的讨论说明了只要对电子移相器编程就能实现移相，而不必采用插入一定长度电缆或采用实现移相的无源电路。采用可变增益放大器(VGA)，可以通过调整其增益的指令字来驱动，并具有某些开关约束。这些可调整变量的组合共同定义了波束成形的结构。

数字技术的应用

以DSP形式来实现VGA和移相器单元，打开了在波束成形中嵌入各种智能特性之门。通过复杂的数学算法和闭环动态特性可以提供天线的容限和可靠性，以及升级的灵活性。这些数学实现方法相比于模拟方法可能更快，且更有效。

天线所获取的信号一般是射频信号、微波和毫米波，很明显这些频率不是当前数字处理技术所能处理的。因此，一个好的数字调制器和解调器一般都有一个数字电路来执行调制/解调功能。在通信系统中，该工作是在解调器上完成。在先进的通信系统中，其接收器有一个射频前端来实现信号下变频，将其变换到A/D转换器可以处理的频率。其余的频率变换是通过数字方式实现。

因此，我们有复数加权值和幂来产生一个在定向增益和方向上都具有很宽变化范围的天线辐射图。如果加权值具有自适应特性，我们就能在闭环控制下通过自动修正使其效用最大化，并优化一些功能特性，如最大化信噪比。

上面所讨论的情形类似于自适应均衡器，因为自适应均衡器也采用复数加权值来减少符号间干扰。在均衡器的应用中，我们会发送一个“训练序列”使均衡器熟悉信道特征，同样，自适应波束形成器在优化其辐射图所采用的技术中，我们也会用到类似的技术。

注意，符号间干扰受多信道传播影响。均衡器和自适应性天线提高了系统的性能，自适应天线可以消除多信道干扰的影响，使之不能到达接收器。因此，可以看出支持自适应均衡所开发的数字算法也能用于支持波束成形。

本文小结

如果天线能以上面的方式增强信号强度，或通过调整复数加权因素来增大蜂窝分割大小，在辐射图上生成波束峰值和零信号区，我们就称这种天线为智能天线。智能天线对无线系统的影响存在于两个方面：首先，与其它链接预算相比，定向天线上有很多分贝的可用信号强度；它会采用先进的硬核技术从接收器前端设计中减少几个额外的噪声分贝，或减少1dB的数字调制解调器损耗。

尽管以前的信号发射时，蜂窝内信号能量是均匀辐射，但其中大部分能量在树叶和建筑之间反射而浪费掉，而智能天线用精准的波束来对准用户天线，这意味着更高的信号强度和更少的信号干扰。这种可操控的辐射图完全适合无线信道的动态特性，因为无线信道的特性通常处于不断的变化之中。在第三代无线系统的设计过程中考虑这种技术特点。

作者：Rob Howald

系统工程总监

摩托罗拉公司宽带通信部传输网络系统组

Email: rhowald@gi.com