基站智能天线多波束合成技术算法

　　摘　要：采用数字波束形成的技术，给出了基站智能天线多波束合成的有效算法。对圆环阵分布的基站天线多波束方向图进行了综合，得到了空间隔离度很好的多个波束，并将副瓣控制在30dB以下，结果令人满意。该方法可用于任意单元构成的不均匀阵列天线，还可用于波束展宽及扇形波束的合成。

　　关键词：智能天线， 方向图合成， 多波束合成技术

引言

　　随着移动通信、卫星通信的发展，移动通信的业务量迅速增加和有限的频谱资源的矛盾日益突出。生产者和使用者都希望通信系统能够提高频谱的利用率和提供足够的容量。智能天线作为解决这个矛盾最有希望的技术之一，受到了极大的关注。智能天线是具有不固定波束的阵列天线，它是利用各用户信号的空间特性差异，形成多个在空间上高度隔离的波束，在同一信道上接收和发送多个用户信号而不发生相互干扰。这种在空间上区分用户的方式称为空分多址。在智能天线中，多波束形成技术是实现空分多址思想的关键技术。用一副天线产生多个空间点波束的技术称为多波束技术。由于各点波束的波瓣较窄，副瓣电平较低，具有良好的空间滤波特性，可以提高系统的频谱利用率，扩大系统容量。多波束技术和多址技术的结合将是未来通讯技术发展的方向。

　　用一副天线实现多波束辐射大致可分为两类：一类由反射面（或透镜）、焦平面上的馈元阵列及波束形成网络组成，通常称为多波束天线。这一类天线的方向图赋形方法主要有改变馈源阵列的激励和改变反射面形状两种［1，2］，其抗干扰能力受波束特性的制约较大，同时任一单元出现问题，都会对整个天线系统的性能产生很大影响；另一类由自适应阵列天线构成，通常采用直接控制天线单元的激励幅相来实现多波束的合成，称为自适应阵列天线。这类天线合成波束方法比较灵活，采用数值合成方法，可以对各向异性阵元任意分布的阵列天线系统进行综合［3］，如果阵列中有一两个单元出现问题，系统仍然能合成所需波束特性，特别是自适应调零技术，使天线的抗干扰能力大大加强。

　　由Ericsson与Mannesman合作，进行了基于GSM/DCS1800基站智能天线现场实验［4］。该实验中，智能天线接收机采用8元阵列天线，上行链路采用了基于DOA的自适应波束形成器，下行链路采用了基于DOA的多波束或自适应波束形成器。实验结果表明，系统的信干比性能提高可达4～5dB，系统容量能够提高100％～200％。另外，Nortel开发出了应用于GSM基站的四波束智能天线［5］。

　　本文对基站圆环阵列智能天线的多波束方向图进行了综合，阵元呈圆环状分布，具有360°全向搜索方向图特性，克服了直线阵搜索的缺点。采用数字波束优化算法对各单元权值进行计算，在不同方向上同时获得多个波束，实现空分多址的思想。该算法可以对各向异性阵元任意分布的自适应阵列天线进行多波束形成。

1　数字多波束形成的算法

　　数字波束形成是天线技术与数字技术结合的产物，以数字波束形成为基础的天线系统，包括：天线阵列、数字收发信机、数字信号处理器。由于数字信号处理器在分配基带信号时，对不同端口进行了幅度与相位加权，所以称为数字波束的形成。数字波束形成分为单元域波束形成和波束域波束形成。单元域波束形成是指幅度，相位是针对天线阵中各个单元进行的。本文讨论单元域数字多波束形成算法。

　　设天线阵列包含N个理想全向辐射元，第k个波束中包含基带信号Ik(t)，该信号通过载波ωc进行传播。把每一单元对远区场的贡献叠加起来就可以求出远区的辐射电场：
　　
其中：wik,Ψik分别为各阵元加权的幅度和相位，用来控制主波束的指向和副瓣电平的特性，i为各阵元之间的相位差。

　　若要形成M个波束指向空间不同方向，并分别传递信息Ik(t)，则远区场可以看成M个Ek(θ,t)的线性叠加：

　　
　　用矩阵形式表示形成多波束时天线阵元上的电流激励为：

И
其中：A称为方向矩阵，反映了阵列单元对信号的空间响应；S(t)为接收到的用户信号向量。

ァ〖偕栌蠱个用户在同一时间共享同一个信道，各用户的信号为Sk(t)（k=1,2…M），A为此信道中所有用户的方向矩阵：
　　
其中：是信道中第j个用户在第i个天线单元上的幅度和相位加权项。И
　　用户信号向量：
　　
其中：Ak(t)为信号幅度，ωc为载波频率。
　　由式（4）、（5）、（6）可以得到阵列单元上的激励为：
　　
　　在多个波束之间有很好的空间隔离度的条件下，把由式（8）所确定的激励加在各阵元上，就可以得到M个空间波束。

2　多波束形成算例
　　设有N个各向同性辐射单元沿着半径为a的圆周均匀排列成圆环阵，圆环阵位于xoy平面上，如图1所示。И

　


　　圆环阵的远区场为：
　　
　　只要在圆环阵的第i个阵元上加上由式（10）确定的激励，即可在空间形成M个波束。

　　在进行多波束形成之前，首先要对每一个方向上的单波束进行优化赋形。单波束的合成采用数值波束形成方法［3］，该方法可对各向异性单元阵列进行综合，因此，该多波束形成方法也适用于各向异性单元组成的环阵。方向矩阵A中的元素可表示为：
　　
其中：Iik(i=1,2…N；k=1,2…M)为第k个波束在第i个阵元上的激励幅度，其大小根据旁瓣电平确定；φi为圆环上第i个阵元的位置角度；Ψik为激励相位，当第k个波束的指向为(θk,φk)时，Ψik表示为：
　
　　对于基站天线，人们最关心的是θ=90°面内的辐射情况。根据基站天线尺寸，选择圆环半径a=300mm，阵元个数N=40。图2给出了均匀分布圆环阵三波束的综合方向图，其中θ=90°，三个波束分别在φ为90°、160°和240°方向上，其副瓣电平均低于主瓣30dB。图3给出了该圆环阵五波束的综合方向图，五个波束分别在φ为60°、120°、160°、240°和300°方向上，其副瓣电平也满足-30dB的要求。

3　结论

　　该多波束合成算法理论上可以形成空间任意多个波束，由于受到阵列单元个数及单波束宽度的限制，当两个波束间隔小于单波束宽度时，他们将合成一个宽波束，由此可见，该方法在波束展宽及扇形波束合成方面也有很好的应用。 作者：丁　君　郭陈江　许家栋（西北工业大学电子工程系，西安 710072）   来源：北极星