用于3G系統(tǒng)智能天線的設計

摘要:根據(jù)我國提出的3G系統(tǒng)標準( TD - SCDMA) 的技術規(guī)范,本文提出了一種用于3G系統(tǒng)基站的智能天線的設計方案,在設計中引入了智能天線的概念,采用了圓形陣列結構形式,利用優(yōu)化算法和矩量法相結合的方法對陣元及陣列的性能進行了優(yōu)化設計,并且對設計方案進行了系統(tǒng)仿真分析. 仿真結果符合設計指標要求, 從而證明了設計方案的可行性. 該方案的提出對于指導3G系統(tǒng)中智能天線的設計工作具有指導意義.

關鍵詞:三代系統(tǒng);智能天線;印刷振子;優(yōu)化設計

引　言
 
目前,應用于移動通信系統(tǒng)中的基站天線有全向、定向和各種扇區(qū)天線. 為了適應3G系統(tǒng)標準,對于基站天線提出了智能化要求,即引入了智能天線系統(tǒng)(簡稱SAS) 的概念. 我國發(fā)展3G 系統(tǒng)的動機主要側重在頻率利用率、無線電覆蓋效率、經(jīng)濟性能、靈活性、系統(tǒng)渡性等方面. 首先,3G系統(tǒng)頻率利用率要高,要能適應高業(yè)務密度地區(qū)寬帶業(yè)務的要求,使高業(yè)務密度地區(qū)達到同樣的業(yè)務質量,需要較少的基站;其次,要有好的無線覆蓋性能,使得低業(yè)務密度地區(qū)達到同樣的覆蓋. 這兩方面都對移動通信系統(tǒng)基站提出了很高的要求. 因此,提高系統(tǒng)基站天線性能的研究工作就顯得尤為關鍵和重要了.

1 　陣列天線結構設計

1. 1 　智能天線的概念
通常智能天線可以定義為固定天線與數(shù)字信號處理核心的結合,構成可以動態(tài)配置的天線特性. 智能天線利用了天線陣列中各單元之間的位置關系,也就是利用了信號的相位關系,這是與傳統(tǒng)分集技術本質上的區(qū)別.

智能天線分為兩大類:多波束智能天線與自適應陣智能天線,簡稱多波束天線和自適應陣天線. 自適應陣天線一般采用4～16 天線陣元結構,陣元間距為1/2 波長,若陣元間距過大,則接收信號彼此相關程度降低,太小則會在方向圖上形成不必要的柵瓣 ,故一般取半波長.

陣元分布方式有直線型、圓環(huán)型和平面型. 自適應天線是智能天線的主要類型,可以實現(xiàn)全向天線,完成用戶信號接收和發(fā)送. 自適應陣天線系統(tǒng)采用數(shù)字信號處理技術識別用戶信號到達方向,并在此方向形成天線主波束. 自適應陣天線根據(jù)用戶信號的不同空間傳播方向提供不同的空間信道,等同于信號有線傳輸?shù)木�纜,有效克服了干擾對系統(tǒng)的影響.

圓形陣列具有良好的平面全向掃描特性,可以為智能天線的快速賦形創(chuàng)造條件. 國際上一些機構也把圓形陣列作為智能天線的重點選型 .本文著重研究圓形陣列天線的實現(xiàn)方法.

1. 2 　陣元的設計
大多數(shù)基站天線采用U 形振子或同軸振子,通常用機械加工方法實現(xiàn). 這種方法,即便是采用精密鑄造、模具沖壓、數(shù)控切割等先進工藝,仍然很難保證智能天線的精度要求,特別是饋電網(wǎng)絡,更加難以保證. 為了保證陣列單元的一致性,智能天線陣的設計,必須使用印刷天線技術.

本設計中采用了同軸直排印刷振子的形式組成共線陣. 陣元的增益,取決于振子的數(shù)量,適當增減振子的數(shù)量,可以滿足增益的設計要求. 通過對振子結構和尺寸的優(yōu)化設計,可以使得陣元天線在滿足設計指標如增益、頻帶、駐波、不圓度等要求的條件下獲得最佳性能.

1. 3 　陣列的設計
設計的陣列天線采用圓形結構,構成陣列的各個陣元均勻分布在直徑為D 的圓周上. 陣列天線的結構形式見圖1.

圖1 　圓形陣列天線示意圖

根據(jù)陣列天線理論可知,對于N 元對稱振子(平行于Z 軸) 組成的單層圓形平面陣,如果假設每個振子上的電流為正弦分布,則其遠區(qū)輻射場為

ρn是第n 個單元的位置矢, l 為振子臂長,ξn是位于φ = φn的第n個元的激勵相位, In 是其激勵電流的波腹值,圓周半徑ρ = D/2 ,則圓形陣列的陣因子為

陣列的總方向函數(shù)為

因此,天線陣的增益取決于單個陣元的增益和陣因子的增益. 在單個陣元天線增益確定后,陣因子的增益就是要考慮的主要因素了. 根據(jù)提出的結構尺寸范圍要求,本文以陣因子增益最大為目標,分別以N = 8 、N = 10 及N = 16 對陣列結構進行了優(yōu)化,結果見圖2. 從圖中可以看到圓形陣列天線最佳直徑為D = 182 mm.

圖2 　圓形陣直徑與陣因子關系

1. 4 　陣列天線的技術規(guī)

表1 給出了圓形陣列天線的指標要求.

2 　基站智能天線的仿真結果
 
　　2. 1 　陣元仿真結果
對具有6個振子的同軸直排印刷天線進行了分析計算,得到的仿真結果如下:陣元天線增益為9. 2dBi ,駐波比小于1.8 ,H 面和E面的方向圖見圖3和圖4. 由圖3看到陣元天線的不圓度< 0. 5dB ,由圖4可以看出陣元天線的主副比大于13dB ,3dB 波束寬度等于12°,所以陣元性能指標滿足要求.

圖3 　陣元天線H 面方向圖

圖4 　陣元天線E 面方向圖

2. 2 　陣列仿真結果
利用陣元天線仿真結果,結合陣列天線陣因子性能,對圓形陣列天線的性能進行了仿真. 用于廣播波束的全向方向圖見圖5 ,進行賦形用于業(yè)務波束的方向圖見圖6 ,其中用于賦形的相移網(wǎng)絡參考相位為[ 0 ,0 ,120. 6 , - 68. 8 ,51. 8 ,51. 8 ,- 68. 8 ,120. 6 ] .其中廣播波束的全向增益Gomni = 14. 42dBi ,賦形業(yè)務波束的最大增益G >15dBi ,均滿足設計要求.

圖5 　陣列天線廣播波束方向圖

圖6 　陣列天線賦形波束方向圖

上述全部仿真結果是在未考慮陣元間的互耦條件下得到的. 實際應用時,由于互耦、損耗等因素的影響,增益肯定會小于仿真結果. 但在設計時已留出了裕量,因此仿真結果是可以用于指導實際應用的.

3 　結束語

本文簡單介紹了智能天線的基本概念,針對陣列天線的設計及實現(xiàn)進行了深入的研究. 提出了具體的圓形陣列天線的設計方案,并且對方案進行了仿真計算,對陣元天線的性能及陣列的結構進行了優(yōu)化設計. 盡管仿真模型是建立在理想條件下,但仿真結果與實際設計指標還是比較接近的,因此對于實際設計是有指導意義的. 可以通過實驗,進一步改進模型,提高模型的精度,從而進一步提高仿真精度. 這一智能天線是針對我國提出的3G系統(tǒng)標準設計的,用于系統(tǒng)基站,以提高基站的無線覆蓋性能,增加系統(tǒng)容量. 該方案的提出對于3G系統(tǒng)中智能天線的研發(fā)工作具有指導意義.