智能天线小型化的发展.doc

智能天线小型化的发展刘龙山(大唐移动通信设备有限公司 北京 100083)摘要 本文首先简要介绍了TD-SCDMA智能天线的原理及面临的问题，然后对目前几种主要的智能天线小型化方案进行了分析，并给出了作者的建议。关键词TD-SCDMA；智能天线；小型化1引言智能天线的概念是在20世纪80年代末针对移动通信技术的需要而提出来的，研究者希望采用智能天线来克服无线信道衰落，提高移动通信系统的信道复用率。一般认为智能天线技术来源于雷达系统中的阵列天线。阵列天线利用波的干涉原理可以产生强方向性的方向图，形成所希望的波束将能量集中发送给指定方向的用户。TD-SCDMA（以下简称TD）系统的智能天线是采用数字波束成型技术的自适应天线阵，可以根据噪声、干扰和信号多径情况，形成若干个自适应波束，达到跟踪多个用户的目的。智能天线的使用提高了基站的接收灵敏度，降低了系统干扰，从而有效提高了系统的容量和扩大了小区的覆盖范围，此增益在仿真研究和规模试验网的外场测试中得到了验证。2智能天线的问题及解决思路智能天线在有效提升TD网络性能的同时，也暴露出一些问题，最为关键的一个问题就是智能天线尺寸偏大。目前规模实验网中绝大多数小区都采用线性排列的扇区智能天线，相邻天线单元的间距为波长的一半，约75 mm。这样对于一个8阵元的智能天线来讲，横向尺寸通常在650 mm左右，与横向尺寸为200300 mm的2G天线相比要宽了很多。智能天线的宽尺寸给网络建设和工程施工带来了诸多问题。首先，多数人认为天线尺寸大，辐射就会比较严重，不同意在住宅附近安装基站和天线，这也是目前规模试验网中部分城市工程施工进度受阻，不能按时完成的主要障碍；其次，尺寸偏大造成迎风面积较大，风阻偏大，从而提高了物料成本，加大了工程施工的复杂度和难度，工程施工周期增加，并且给后期的维护和稳定性也带来了隐患。因此智能天线的小型化已经成为TD网络实际推广中的关键环节，如果解决不好小型化的问题，将给整个TD网络的推广带来较大的障碍。为此业界纷纷提出各种小型化的方案，力求在不影响网络质量的前提下减小智能天线的横向尺寸。目前智能天线小型化包括如下几种方案。第1种方案是通过引入新的信号处理技术和提升其他关键技术的增益，在保持整体系统性能的情况下，可以降低对智能天线赋形增益的要求，这样就可以减少天线阵元的数量，从而减小了天线阵的横向尺寸，这是最为直接和有效的方案。大唐移动在对各项技术仔细研究和评估的基础上，提出使用优化的同频算法，同时将天线阵元数从8阵元改为6阵元。通过仿真和实测比较，6阵元智能天线同频优化算法的解决方案在系统性能上与8阵元智能天线方案相当，更为重要的是相对于8阵元智能天线，6阵元智能天线具有尺寸小、重量轻、安装简单、工程量小、工程施工难度低、维护简单、稳定性好等优点。表1是6阵元天线和8阵元天线机械指标和工程参数的比较。在目前广州和上海的TD试验网中均采用了6阵元天线方案，通过对网络性能的实际测试，也验证了6阵元天线优化算法的方案可以很好地满足网络性能的需求。第2种方案是改变目前单极化天线方案为双极化方案。大唐移动在6阵元天线的基础上，在业内率先采用了双极化方案进一步压缩了智能天线的尺寸。例如采用4+4双极化方案后，天线尺寸与4阵元单极化天线的尺寸基本相同，但在性能上44双极化天线要远远优于4阵元单极化天线。在同样的阵元数量情况下，双极化智能天线虽然赋形增益比单极化智能天线有所减小，但利用复杂无线信道中信号多次反射使得信号在不同极化方向上非相关的特性，可以获得相应的分集增益，从而在整体性能上与同阵元数量的单极化智能天线相当。双极化天线不仅从尺寸上有了明显的减小，而且重量上也降低了很多，例如44双极化天线的重量仅仅是4阵元单极化天线重量的1.3倍左右，远远小于8阵元的单极化智能天线的重量，从而大大降低了工程施工难度和成本，提高了稳定性和易维护性。除此之外，双极化智能天线还具有普通单极化智能天线所不具备的一个优势，就是两个不同极化方向形成的相互独立的无线信道可以应用于MIMO（multiple input multiple output ）技术中，获得空间复用增益，提高信道容量，因此可以说双极化方案是智能天线最为理想的演进方向。第3种方案是通过修改天线阵的物理结构，开发结构更为紧凑的天线阵，目前天线阵的阵子间距通常为波长的1/2，通过压缩天线阵子之间的间距，可以有效减小天线的横向尺寸，但这样做将减小天线阵元之间的隔离度，恶化天线的有源驻波比等指标，需要在天线设计上引入新技术来克服此问题，同时天线口径减小造成赋形波束宽度变大，在干扰抑制和用户空间区分上增益下降，系统性能会有恶化，因此需要在天线横向尺寸和系统性能恶化之间进行平衡。第4种方案是改变目前天线阵元横向排列的方式为前后排排列，同样达到了减小横向尺寸的目的，但同时天线增益和系统性能受到较大影响。目前正在研究是否可以通过改变阵子类型和形状以弥补增益的损失，以及此类天线的具体应用场合。另外，业界还推出了镂空智能天线，这项技术与智能天线的算法无关，只是天线物理结构上的改进。镂空智能天线横向尺寸并没有减小，但通过镂空技术有效减小了