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摘 要：采用數(shù)字波束形成的技術(shù)，給出了基站智能天線多波束合成的有效算法。對(duì)圓環(huán)陣分布的基站天線多波束方向圖進(jìn)行了綜合，得到了空間隔離度很好的多個(gè)波束，并將副瓣控制在30dB以下，結(jié)果令人滿意。該方法可用于任意單元構(gòu)成的不均勻陣列天線，還可用于波束展寬及扇形波束的合成。
關(guān)鍵詞：智能天線， 方向圖合成， 多波束合成技術(shù)
引言
隨著移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信的發(fā)展，移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)量迅速增加和有限的頻譜資源的矛盾日益突出。生產(chǎn)者和使用者都希望通信系統(tǒng)能夠提高頻譜的利用率和提供足夠的容量。智能天線作為解決這個(gè)矛盾最有希望的技術(shù)之一，受到了極大的關(guān)注。智能天線是具有不固定波束的陣列天線，它是利用各用戶信號(hào)的空間特性差異，形成多個(gè)在空間上高度隔離的波束，在同一信道上接收和發(fā)送多個(gè)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾。這種在空間上區(qū)分用戶的方式稱為空分多址。在智能天線中，多波束形成技術(shù)是實(shí)現(xiàn)空分多址思想的關(guān)鍵技術(shù)。用一副天線產(chǎn)生多個(gè)空間點(diǎn)波束的技術(shù)稱為多波束技術(shù)。由于各點(diǎn)波束的波瓣較窄，副瓣電平較低，具有良好的空間濾波特性，可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率，擴(kuò)大系統(tǒng)容量。多波束技術(shù)和多址技術(shù)的結(jié)合將是未來(lái)通訊技術(shù)發(fā)展的方向。
用一副天線實(shí)現(xiàn)多波束輻射大致可分為兩類：一類由反射面（或透鏡）、焦平面上的饋元陣列及波束形成網(wǎng)絡(luò)組成，通常稱為多波束天線。這一類天線的方向圖賦形方法主要有改變饋源陣列的激勵(lì)和改變反射面形狀兩種［1，2］，其抗干擾能力受波束特性的制約較大，同時(shí)任一單元出現(xiàn)問(wèn)題，都會(huì)對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)的性能產(chǎn)生很大影響；另一類由自適應(yīng)陣列天線構(gòu)成，通常采用直接控制天線單元的激勵(lì)幅相來(lái)實(shí)現(xiàn)多波束的合成，稱為自適應(yīng)陣列天線。這類天線合成波束方法比較靈活，采用數(shù)值合成方法，可以對(duì)各向異性陣元任意分布的陣列天線系統(tǒng)進(jìn)行綜合［3］，如果陣列中有一兩個(gè)單元出現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)仍然能合成所需波束特性，特別是自適應(yīng)調(diào)零技術(shù)，使天線的抗干擾能力大大加強(qiáng)。
由Ericsson與Mannesman合作，進(jìn)行了基于GSM/DCS1800基站智能天線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)［4］。該實(shí)驗(yàn)中，智能天線接收機(jī)采用8元陣列天線，上行鏈路采用了基于DOA的自適應(yīng)波束形成器，下行鏈路采用了基于DOA的多波束或自適應(yīng)波束形成器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的信干比性能提高可達(dá)4～5dB，系統(tǒng)容量能夠提高100％～200％。另外，Nortel開發(fā)出了應(yīng)用于GSM基站的四波束智能天線［5］。
本文對(duì)基站圓環(huán)陣列智能天線的多波束方向圖進(jìn)行了綜合，陣元呈圓環(huán)狀分布，具有360°全向搜索方向圖特性，克服了直線陣搜索的缺點(diǎn)。采用數(shù)字波束優(yōu)化算法對(duì)各單元權(quán)值進(jìn)行計(jì)算，在不同方向上同時(shí)獲得多個(gè)波束，實(shí)現(xiàn)空分多址的思想。該算法可以對(duì)各向異性陣元任意分布的自適應(yīng)陣列天線進(jìn)行多波束形成。
1 數(shù)字多波束形成的算法
數(shù)字波束形成是天線技術(shù)與數(shù)字技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，以數(shù)字波束形成為基礎(chǔ)的天線系統(tǒng)，包括：天線陣列、數(shù)字收發(fā)信機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器。由于數(shù)字信號(hào)處理器在分配基帶信號(hào)時(shí)，對(duì)不同端口進(jìn)行了幅度與相位加權(quán)，所以稱為數(shù)字波束的形成。數(shù)字波束形成分為單元域波束形成和波束域波束形成。單元域波束形成是指幅度，相位是針對(duì)天線陣中各個(gè)單元進(jìn)行的。本文討論單元域數(shù)字多波束形成算法。
設(shè)天線陣列包含N個(gè)理想全向輻射元，第k個(gè)波束中包含基帶信號(hào)Ik(t)，該信號(hào)通過(guò)載波ωc進(jìn)行傳播。把每一單元對(duì)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的貢獻(xiàn)疊加起來(lái)就可以求出遠(yuǎn)區(qū)的輻射電場(chǎng)：
其中：wik,Ψik分別為各陣元加權(quán)的幅度和相位，用來(lái)控制主波束的指向和副瓣電平的特性，i為各陣元之間的相位差。
若要形成M個(gè)波束指向空間不同方向，并分別傳遞信息Ik(t)，則遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)可以看成M個(gè)Ek(θ,t)的線性疊加：
用矩陣形式表示形成多波束時(shí)天線陣元上的電流激勵(lì)為：
其中：A稱為方向矩陣，反映了陣列單元對(duì)信號(hào)的空間響應(yīng)；S(t)為接收到的用戶信號(hào)向量。
假設(shè)有M個(gè)用戶在同一時(shí)間共享同一個(gè)信道，各用戶的信號(hào)為Sk(t)（k=1,2…M），A為此信道中所有用戶的方向矩陣：
其中：
用戶信號(hào)向量：
其中：Ak(t)為信號(hào)幅度，ωc為載波頻率。
由式（4）、（5）、（6）可以得到陣列單元上的激勵(lì)為：
在多個(gè)波束之間有很好的空間隔離度的條件下，把由式（8）所確定的激勵(lì)加在各陣元上，就可以得到M個(gè)空間波束。
2 多波束形成算例
設(shè)有N個(gè)各向同性輻射單元沿著半徑為a的圓周均勻排列成圓環(huán)陣，圓環(huán)陣位于xoy平面上，如圖1所示。
圓環(huán)陣的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為：
只要在圓環(huán)陣的第i個(gè)陣元上加上由式（10）確定的激勵(lì)，即可在空間形成M個(gè)波束。
在進(jìn)行多波束形成之前，首先要對(duì)每一個(gè)方向上的單波束進(jìn)行優(yōu)化賦形。單波束的合成采用數(shù)值波束形成方法［3］，該方法可對(duì)各向異性單元陣列進(jìn)行綜合，因此，該多波束形成方法也適用于各向異性單元組成的環(huán)陣。方向矩陣A中的元素可表示為：
其中：Iik(i=1,2…N；k=1,2…M)為第k個(gè)波束在第i個(gè)陣元上的激勵(lì)幅度，其大小根據(jù)旁瓣電平確定；φi為圓環(huán)上第i個(gè)陣元的位置角度；Ψik為激勵(lì)相位，當(dāng)?shù)趉個(gè)波束的指向?yàn)?θk,φk)時(shí)，Ψik表示為：
對(duì)于基站天線，人們最關(guān)心的是θ=90°面內(nèi)的輻射情況。根據(jù)基站天線尺寸，選擇圓環(huán)半徑a=300mm，陣元個(gè)數(shù)N=40。圖2給出了均勻分布圓環(huán)陣三波束的綜合方向圖，其中θ=90°，三個(gè)波束分別在φ為90°、160°和240°方向上，其副瓣電平均低于主瓣30dB。圖3給出了該圓環(huán)陣五波束的綜合方向圖，五個(gè)波束分別在φ為60°、120°、160°、240°和300°方向上，其副瓣電平也滿足-30dB的要求。
3 結(jié)論
該多波束合成算法理論上可以形成空間任意多個(gè)波束，由于受到陣列單元個(gè)數(shù)及單波束寬度的限制，當(dāng)兩個(gè)波束間隔小于單波束寬度時(shí)，他們將合成一個(gè)寬波束，由此可見，該方法在波束展寬及扇形波束合成方面也有很好的應(yīng)用。
