移动通信中的电波传播与天线第二讲_移动通信天线（doc X页）

1、天线与电波传播第3章 移动通信系统中的常用天线移动通信天线=基地站天线 + 移动台天线一 设计要求：基地站天线设计电气设计机械设计与无线电链路有关的设计事项风载设计、地震负载设计现场安装区域结构 要求的D/U有无分集 频率阵和单元的设计方向图合成 单元馈电电路 交调l 基地站天线的设计关键移动台天线设计车载天线设计手持机天线设计电气设计水平面全向 保型结构车体不引起畸变宽频带、收发共用 分集机械设计空气动力学设计易于安装电气设计机械设计高效率宽频带、收发共用人体产生失真小分集体积小/重量轻易于处理 l 移动台天线的设计关键二主要技术：1对基地站天线的主要要求：高电平均匀照射自区、压缩自区以外的

2、辐射（频率复用）、宽频带（多信道、收发共用或系统共用）、不变的接收电平降低延迟扩展、体积小、重量轻2对移动台天线的主要要求： 车载天线工作频率、带宽、方向性、极化、分集接收 手持机天线高增益、有效增益、人体的影响、对人体的辐射3主要技术l 赋形波束技术对天线水平面和垂直面的方向图进行调整 利用角反射器得到水平面的扇形波束扇形区和全向区的干扰距离RDDR 利用天线阵得到垂直面的余割波束以及主波束倾斜 垂直平面的赋形波束为了使固定在一定高度的天线照射在一有限的水平面区域内，使该区域有相等的接收电平。使用垂直平面的余割平方或P次方赋形波束功率方向图可实现这一要求。 波束倾斜波束下倾技术的主要目的是倾

3、斜主波束以压缩朝重用频率的蜂窝方向的辐射电平而增加(C/I)ANT，即有用波方向和干扰波方向的天线方向图用分贝表示的差值。天线下倾主要是改变天线的垂直方向图主瓣的指向，使垂直方向图主瓣方向指向覆盖小区，而垂直方向图主的零点或副瓣对准其干扰的同频小区。这样，既改善了服务小区覆盖蜂窝内的信号强度，也就提高了服务小区内的C/I值，同时由减少了对远处同频小区的干扰，因此提高了系统的频率复用的能力，增加了系统的容量。另外天线下倾还可以改善激战附近的室内覆盖特性。天线下倾技术可以通过两种方法来实现：一种是机械下倾，另一种是电下倾。机械下倾是通过机械调节装置调节天线向下倾斜所需的角度。电下倾天线是通过调节天

4、线各阵子单元的相位（相控阵天线技术）使天线的垂直方向图主瓣下倾一定的角度，而天线本身仍保持和地面成垂直放置的位置。 降低和局部压缩旁瓣电平的赋形波束通过合成的振子天线方向图实现对主波束附近的旁瓣压缩。也可有效地降低频率重用距离。此外，还可以利用线天线阵来建立水平面或垂直面的双频赋形波束。l 分集接收技术所谓分集接收是指在接收机的输入端提供两个或多个的输入信号，经处理合成后得到所需的信号。由于这些输入信号的衰落现象是非相干的，因此，分集接收技术可以改善系统的性能、克服衰落而不需要增大发射功率和带宽。采用天线位于不同场址位置上的宏观分集可以克服长期衰落，而采用天线位于相同场址位置上的微观分集可以克

5、服短期衰落。 几种分集方式： 时间分集时间分集是指在不同的时隙发射相同的信息，在接收端产生两个非相关的衰落信号。时间分集方式是在多信道场合减小互调的良好方式。但是在移动无线电环境中，移动体可能暂停在任一地点，此地具有弱的当地均值或接收到深度衰落。而不管是哪一种情况，时间分集方式都无助于减小衰落，因此，一般不采用时间分集。 频率分集频率分集是通过发射两个不同载波频率的信号来实现的。为了要使它们在接收端的衰落非相关，必须增大带宽。频率分集方式的成本较高，也不常采用。 空间分集空间分集是指接收机通过两个或多个不同位置的天线来接收信号。这些信号的相关性较弱。天线的间隔随着天线的高度而改变。空间分集是移

6、动通信系统中最常用的一种方式。根据天线的不同位置关系，空间分集可分为水平空间分集和垂直空间分集。后者在商业用途上主要用做移动站天线。目前移动通信基站一般都采用水平空间分集，用在市区环境的蜂窝系统的上行（移动台到基站）中，通过选择最好的接收信号或将信号合并，减少衰落的影响。通过随环境的密集度增加的增加（约3-5dB）来改善基站接收，达到对上下链路预算平衡的作用。空间分集技术的不便之处是需要徒工几个具有类似特性的接收机以及在接收机处处理矢量型信号，以及需要坚固的塔结构（为了固定不同的天线）。 方向图分集方向图分集又称角度分集。这种分集方式需要若干个具有特定方向的扇形波束天线，它们构成的总方向图是全

7、向的。接收机通过它们接收来自不同方向的信号，并由此组合出所要的信号。 极化分集极化分集是指在基地站利用两个正交极化天线来发射信息，而在移动站也是有两个正交极化的天线共同接收。正交极化天线提供是两个非相关的信号衰落。使用极化分集的缺点是：由于功率分给两个天线，故在发射场址减小3dB。对于室内覆盖，极化分集给出和空间分集同样的结果；对于室外覆盖，空间分集能更好的改善系统性能。 四种分集合成技术： 选择合成选择合成法是根据一个或几个准则从所用的分集天线中选择一个组成。它由选择具有最大功率的信道或具有最好载干比（C/I）的信道组成。这种技术的性能对于利用两个天线的系统是令人满意的。 等增益合成这种方法

8、被用在很难得到信道的精确估算的系统中（典型的是快速跳频系统），作为例子，如在快变信道情况中，所有输入信号被相同地放大，然后相位匹配并求和。所要的信号为相干求和而噪声为非相干求和，在合成器输出端得到较好的信噪比（SNR） 最大比合成在这种技术中，每个天线的输出都被每个天线接收到的载干比（C/I）的估算来加权。和用等增益合成一样，信号被相位匹配以及从解调器输出端的加权求和作出数据决定。这种加权方法得到的信噪比比等增益合成产生的信噪比还要高，使它在这三种技术中效率最高。 转换合成它基于某一门限电平，若信号低于该门限电平，接收输出端便转到另一天线分支上。分集技术按分集方式可分为空间分集、频率分集、时间

9、分集、极化分集、角度分集和能量分集等等。三常用天线：1最基本的天线类型l 电基本振子辐射场 电基本振子上电流的幅度，电磁波的波长，电基本振子的长度 或或l 对称振子对称振子又称偶极天线。由于它的结构简单，所以被广泛应用于无线通信、雷达等各种无线电技术设备中。就所使用的频段来说，它可以应用于短波、超短波甚至微波波段。它既可作为独立大天线使用，也可以作为复杂天线阵的组成单元或者面天线的馈源。对称振子的长度不同，天线的特性也有所不同。电流分布 电流波腹点的电流振幅值辐射场 电磁波的波数， 对称振子的臂长（总长度的一半）l 半波振子半波振子是指导线的总长度等于半个波长的对称振子，电流近似为余弦分布。若

10、将半波振子垂直放置，则水平面无方向性，垂直面方向图呈字形，主射线方向与导线垂直。半波振子的半功率张角为78度，增益等于1.64，输入阻抗等于72.1+j42.5。这种天线的结构简单，与75同轴线的特性阻抗比较接近，易于实现匹配，所以应用十分广泛。半波振子也可以由同轴线构成。电流分布 电流波腹点的振幅值辐射场 电磁波的波数 对称振子的臂长（总长度的一半）天线的电流分布同轴型半波振子/4/4/4/4或或半波振子方向图l 折合振子折合振子由两根相互平行且十分靠近的半波振子端头相互连接而构成。(a) 半波折合振子(b) 等效传输线上的电流分布(c) 折合振子电流分布(d) 等效振子电流分布l 单极天线

11、单极天线又称鞭状天线，将对称振子的一个臂变为导电平面即成单极天线。通过单极天线还演变出许多具有专门特性的派生天线。单极天线及方向图l 单极天线的派生天线型或倒L型倒F型T型伞型或倒V型锥型电感加载型顶部圆盘加载型2基地站天线类型 天线安装位置-确定一个基地站天线的位置，既要考虑其覆盖范围，又要考虑受其它站干扰问题。在一个大的系统中，不仅要考虑单个基地站的位置，而且同时还要考虑其它所有可能的基地站的设置问题。选择基地站位置的步骤包括确定接收电平、预选最佳位置、预测路径损耗等等。应遵循两个原则：第一原则是是不要选最高点以避免对其它覆盖区产生干扰或是在本覆盖区出现弱场强信号;第二个原则是提高基地站天

12、线的高度.如果一个基地站位置变动，对其它所有基地站的位置均有影响。l 共线式天线一般由半波振子排列成的直线阵构成，并按设计要求的功率和相位馈送到各个半波振子以提高辐射方向上的功率。振子单元数每增加一倍（相应于长度增加一倍），增益增加3db。典型的增益值是6-9dBb。受限制的因素主要是物理尺寸，例如9dBb增益的劝降天线，其高度为3米。l 定向天线（扇区天线）使用原因是覆盖扩展、频率复用以及改善干扰。一般由天线阵加上反射板所构成或者直接采用方向天线（如八木天线）。定向天线的典型增益值9-16dBd。结构上一般为8-16个单元的天线阵。 角反射器天线引向天线方向图（a）四单元 （b）五单元 （c

13、）六单元 （d）七单元l 八木天线l 特殊天线用于特殊用途，例如室内覆盖、隧道覆盖等等。辐射方向图是根据用途来选择天线。特殊天线的一个例子是泄漏同轴电缆。它能起到连续不断地覆盖的作用，以解决室内活隧道中的覆盖问题。泄漏同轴电缆的波纹铜外层上的侠缝辐射出去。相反地，电缆还能接收附近移动台的发射信号将其耦合进入这些狭缝内并沿电缆传送到基站。因为它的宽带容量，这种电缆系统可以同时运行两个或更多的通信系统。泄漏同轴电缆适用于任何开放的或者封闭形式的、需要局部限制的覆盖区域。不过相当昂贵。而且在使用泄漏同轴电缆系统没有增益，为了延伸覆盖范围还需要使用双向放大器。通常能满足大多数应用的典型传输功率值是20

14、-30瓦。l 多天线系统由许多单独天线形成的合成辐射方向图。最简单的多天线系统类型是在塔上相反方向安装两个方向天线，通过功率分配器馈电。其目的是用一个小区来覆盖大的范围，例如沿一个街道，它比用两个小区情况所使用的信道数要少。此外，当不能使用全向天线时，或当所需要的增益（较大的覆盖面积）比一个全向天线系统所能提供的还要大时，也可用多天线系统来形成全向方向图，例如建筑物的四周或者高大塔的四周。当使用多天线系统时，空间分集非常复杂。典型的增益值将是所用单独天线时增益减去由于功率分配器带来的3dB损耗。3移动台天线类型移动台天线的最佳设计就是使移动电话设备小型化并且成本要低。重要的是要把天线设计得能降

15、低发射功率，而又要保证通信质量。 天线安装要求任何便携无线电话天线都有两个主要的特点：一是天线必须安装在便携电话机的机壳上，其次就是工作期间人手握着电话机随机指向任意方向。因此，在移动通信系统中，移动台天线的设计安装必须要解决的主要问题就是如何提高在多路径传播环境中天线的平均有效增益。对于手持机而言，有许多影响天线辐射方向图的因素。由于天线非常靠近壳体，所以不仅在天线单元上，并且也在导电壳提上感应电流。电流的耗散将改变原来的辐射图形状。由于天线必须靠近操作人员使用，所以强加与天线的人体邻近效应回进一步地劣化天线的辐射效率。另外，操作人员的运动和习惯引起的天线方向的变化将改变辐射图的极化。对于车

16、载天线而言，其安装的位置非常重要。常见的有车顶棚天线、玻璃窗天线、行李箱装天线、坐室装天线等等。l 电感加载天线l 套筒天线l 倒F型天线l 微带贴片天线(圆形微带天线和具有寄生单元的宽带微带天线)l 双频天线和兼容天线4. 附属设备发射合路器、接收耦合器、双工器和馈线Tx顶部圆球加载型RxRxN1接收机多路耦合器N1接收机多路耦合器N1发射机合路器双工器5.智能天线一种具有测向和波束形成能力的天线阵列。智能天线最初应用于军事领域，但由于它的成本长期居高不下，一直无法投入商用。随着近年来数字信号处理技术的迅速发展，智能天线在消除同信道干扰（CCI）,多址干扰（MAI）与多径衰落方面上的特点越来

17、越受到人们的关注。有关蜂窝系统中智能天线技术的研究最初开始于八十年代，但是研究开发工作直到最近几年才引起重视。1995年，Nortel公司将智能天线技术引入PCS-1900系统。其他公司比如Metawave也已引进了相似的技术，而且欧洲现代通信技术与服务协会（ACTS）的TSUNAMI项目中也正在考虑将智能天线技术用于第三代无线通信系统。国内有关公司和高校也在进行相关的研究 基本思想利用各用户信号空间特征的差异，采用阵列天线技术，根据各个接收准则自动调节各天线阵元的加权向量，达到最佳接收和发射，使得在同一信道上接收和发送多个用户的信号而又不互相干扰。智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力，

18、不仅成为目前解决个人通信多址干扰、容量限制等问题的最有效的手段，而且也被公认是未来移动通信的一种发展趋势，成为第三代通信系统的核心。 基本组成及原理其典型结构如图所示。它主要由天线阵、波束形成网络和自适应控制网络三部分组成。其中天线阵列是收发射频信号的辐射单元，常用的阵列形式有直线阵列与圆形阵列。波束形成网络则将来自每个单元天线的空间感应信号加权相加，其中的权系数为复数。自适应控制单元是智能天线的核心，该单元的功能是根据一定算法和优化准则主动地去适应周围电磁环境的变化。它利用数字信号处理技术，通过满足某一准则的算法来调节各个阵元的加权幅度和相位，动态地产生空间定向波束，使天线的主波束跟踪用户信

19、号的到达方向，旁瓣或零辐射方向对准干扰信号的到达方向，从而达到抑制干扰信号，提高所需信号信噪比的目的。 基本形式多波束天线阵列（或称波束切换智能天线）与自适应天线阵列l 多波束天线阵列多波束天线将传统的一个扇区一个波束变为一个扇区数个波束来覆盖整个小区。每个波束的指向是固定的，波束宽度也随着阵元数目而定，它采用波束切换技术，随着用户在小区内的移动，基站自动选择不同的相应波束，使接收信号最强。多波束虽然不能实现信号最佳接收，但结构简单，便于实现，且无需判定所接收信号的方向。多波束智能天线的波束宽度是由天线阵列的口径所决定的。多波束智能天线对于处于主波束外的干扰，是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的

20、。而对于处于主波束内的干扰，多波束智能天线将无法抑制，所以它对于主波束内的干扰信号的抑制能力是有限的。而且由于所需信号的到达方向并不一定固定在主波束中央，当信号的到达方向随着移动台的移动位于波束边缘而干扰信号位于波束中心时，接收效果最差。此时必须进行波束间切换，切换至载干比好的波束中。图2.2（a）给出了一种多波束智能天线结构。该天线由四个置于一条直线且相距半个波长的阵元组成，在一个传统基站120度扇区内，该天线产生四个30度的并行波束。多波束智能天线通过检测上行链路的到达方向（DOA）来选择对应的下行链路的最佳波束。多波束智能天线阵列Dx: 复用滤波器Rx:接收机 Tx:发射机波束合成网络D

21、xDxDxDxRxRxRxRx均衡与合并DOA预测波束选择自适应智能天线阵列波束合成网络DxDxDxDxRxRx均衡与合并DOA预测波束选择TxTxTxTxRxRxDx: 复用滤波器Rx:接收机 Tx:发射机l 自适应天线阵列自适应天线阵列主要基于自适应天线阵列原理，天线阵接收到信号后，通过由处理器和权值调整算法组成的反馈控制系统，根据一定的算法分析该信号，判断信号及干扰到达的方位角度，将计算分析所得的信号作为天线阵元的激励信号，调整天线阵列单元的辐射方向图、频率响应及其它参数。利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向图，跟踪信号变化，对干扰方向调零，减弱甚至抵消干

22、扰，从而提高接收信号的载干比，改善无线网基站覆盖质量，增加系统容量。 特点智能天线在基站与移动用户之间建立一条能量相对集中的无线链路，提高移动通信系统的容量和载波干扰比（C/I），l 它主要能够完成两大任务： 实时感知电磁环境，包括到达方向（DOA）测向、谱估计、从接收到的信号中分离出直射信号和多径信号； 后处理过程包括信道分离、抗多径干扰和衰落。l 智能天线对移动通信系统容量的提高主要表现在下面两个方面： 对于用户集中的都市区，在给定小区范围内能容纳更多的移动用户； 对于用户稀疏的郊区，在保证用户通信质量的前提下，扩大小区的服务范围。l 智能天线技术是第三代移动通信不可缺少的空域信号处理技术

23、。归纳起来，智能天线具有以下几个突出优点： 具有测向和自适应调零功能，能把主波束对准入射信号并自适应实时地跟踪信号。同时还能把零响应点对准干扰信号。 提高输入信号的信噪比。 能识别不同入射方向的直射波和反射波，具有较强的抗多径衰落和同频干扰的能力。 增强系统抗频率选择性衰落的能力，因为天线本质上具有空间分集的能力。 可以利用智能天线实时监测用户的电磁环境情况来提高网络的管理能力。 应用l 提高移动通信系统容量智能天线通过抑制干扰，提高了载干比。而载干比将决定系统容量，因此载干比的提高也就意味着系统容量的提高。如图2.3所示，使用智能天线的小区用户数明显比使用传统全向天线的小区用户数增多。在人口

24、密度大的城市地区，因为系统的容量受到可用信道的固定数量和干扰的限制，随着用户数量的不断增多，使用传统全向天线的系统已经达到它的容限，使用智能天线技术可以提高它的容量。全向天线智能天线使用智能天线前后系统容量之比较l 增大基站的覆盖区域采用智能天线可以增加分集增益，这等效于同时提高了天线阵列的接收灵敏度或增加了基站发射机的等效各向同性辐射功率（EIRP），因此在同等的发射功率的条件下，基站可以接收到更远的信号。如图所示，由于增加了分集增益，使用智能天线后，小区的覆盖范围可以比原先扩充很多，这种情况主要应用在乡村地区-因为乡村地区人口密度相对较低，没有必要在蜂窝系统的相邻小区间复用同一频率，系统性

25、能主要受噪声的限制，而不是受干扰的限制。它所期望的是每个基站的覆盖范围尽可能的大，以支持更多的用户，从而降低基站的费用。智能天线全向天线智能天线扩展了小区覆盖范围l 抗衰落在陆地移动通信中，电波传播路径由反射、折射及散射的多径波组成，随着移动台移动及环境变化，信号瞬时值及延迟失真的变化非常迅速，且不规则，造成信号衰落。如果采用智能天线控制接收方向，天线自适应地构成波束的方向性，可以使延迟波方向的增益最小，减小信号衰落的影响。智能天线还可用于分集，减少衰落。电波通过不同路径到达接收天线，其方向角各不相同，利用多副指向不同的自适应接收天线，将这些分量隔离开，然后再合成处理，即可实现。波束1波束2全

26、向天线l 减少同频干扰，降低基站的发射功率 如图所示，智能天线的波束具有很强的方向性，对波束以外的移动台不形成干扰，同时也由于信号能量相对集中，使要达到同样的发射效果所需的发射功率下降。抗干扰应用的实质是空间滤波。利用智能天线波束的方向性，将主波束方向对准目标信号，零辐射方向对准干扰信号，从而达到抗同频干扰的目的。智能天线智能天线减少蜂窝系统中的同频干扰l 实现移动台的定位目前蜂窝移动通信系统只能确定移动台所处的小区，如果增加定位业务，则可随时确定持机者所处位置，不但给用户和网络管理者提供很大方便，还可开发出更多的新业务。在陆地移动通信中，如果基站采用智能天线阵，一旦收到信号，即对每个天线元所

27、连接收机产生的响应作相应处理，获得该信号的空间特征矢量及矩阵，由此获得信号的功率估值和到达方向，即用户终端的方位。通过此方法，用两个基站就可将用户终端定位到一个较小区域。l 智能天线提高蜂窝移动通信系统性能用于FDMA系统、用于TDMA系统、用于CDMA系统、用于无线本地环路系统、用于DECT、PHS等系统、用于第三代移动通信（采用智能天线技术可提高第三代移动通信系统的容量及服务质量，WCDMA系统就采用自适应天线阵列技术，增加系统容量。在第三代移动通信系统中，我国TDSCDMA系统是应用智能天线技术的典型范例。TDSCDMA系统采用TDD方式，使上下射频信道完全对称，可同时解决诸如天线上下行

28、波束赋形、抗多径干扰和抗多址干扰等问题。该系统具有精确定位功能，可实现接力切换，减少信道资源浪费。）l 两种智能天线应用之比较尽管多波束天线和自适应天线这两种智能天线都是将主瓣方向指向用户，提高增益；将零辐射方向指向干扰，但是两种智能天线在控制波束和零辐射方向的精度和自由度上是有所不同的。图2.7所示的是在解决一个目标用户和两个干扰用户的方案中，这两种系统所可能采用的模式。切换波束系统如图左边所示，自适应天线系统如图右边所示。两个系统都将他们的主瓣大致朝向目标用户，但自适应天线对主瓣采用了更精确的控制，更有效的增强了信号。同样，两个系统都使干扰信号在偏离主瓣增益更低的地方到达，但自适应天线系统

29、能使干扰信号得到最大限度的压制。用户移动前的波束模式用户移动后的波束模式自适应天线的波束模式随着用户的移动和环境的改变而改变多波束天线自适应天线目标信号第一个同频干扰第n个同频干扰多波束天线和自适应天线所采用的不同波束模式此外，自适应天线随着目标用户和干扰用户的移动，可以动态的改变信号模式使系统性能最优化：它采用先进的信号处理算法来连续判别目标信号，多径信号和干扰信号，并且计算它们的到达方向。根据目标信号和干扰信号位置的改变，自适应天线系统也不断更新波束模式。它可以灵活使主瓣跟踪用户，零辐射方向跟踪干扰，这种能力确保了链路预算始终最大化。这有点类似人的听力：当一个人听别人说话时，它的大脑用两只耳朵收集声音，融合声音，并且判断说话者的方位。如果说话者移动了，那么聆听者，即便闭着眼睛也能不断调整他的聆听角度这完全取决于他所听的内容。聆听者还可以排除他不想听到的噪音和干扰，而将精力集中到交谈内容上。而这些多波束天线做不到。如图所示，是自适应天线如何适应两个用户在同一时间，同一小区内，使用同一信道通信的。暗波束模式用来和左边的用户通信，同时亮波束模式用来和右边的用户通信。应该注意到，每个模式都将零辐射方向朝向另一个用户。当用户移动时，系统不断更新波束模式，以确保和用户的位置一致。自适应天线具有这种在波