利用天線陣列與智能天線技術提高信號傳輸穩定性
在2月16-29期《點波束和天線陣列特性分析》壹文中介紹了天線輻射圖和陣列的概念，本文將介紹線性天線陣列、波束成形和智能天線技術及其應用。正確利用這些天線技術可以有效改善無線鏈路質量，提高信號傳輸的穩定性。
天線陣列是壹組發射單元組成的天線系統。如果這些天線單元都相同，例如在全向陣列中，如果它們在壹個軸上相互間隔距離相同，那麽該陣列天線就稱為線性陣列。此外，如果這些單元是由同壹根電線上的電流所激勵，那麽將可以同步地對這些天線單元調整，線性陣列的各個單元是均衡壹致的。
天線陣列
圖1所示是壹個四單元線性陣列，其中每個單元都是全向天線，單元之間以半波長分隔，假定采用相同電流來驅動每個單元(相同幅度和相位激勵)。采用多個單元組成壹個天線陣列與單個全向天線單元相比有效尺寸更大，這種天線具有更強方向性的總輻射圖。
天線陣列的輻射圖是每個單元輻射圖的總和，每個單元的輻射圖如圖1所繪出的虛線圓所示。定向增益產生在這些單元之間的中線上。
這裏值得註意的是，同壹組物理陣列單元可以形成不同的天線輻射圖，這樣可以允許接收器調整波束方向以實現正確的信號接收。這也使得在生產這類天線時，壹種天線尺寸可以適用於多種用途。即可以建立壹個基本的單元結構，單元形成的輻射圖可以由用戶通過調整單元激勵的方式來改變輻射圖的形成。
再進壹步討論方向性問題。假設圖1中的陣列實際上是由八個天線單元組成，單元間隔為半波長，其中壹半的單元沒有被激勵。現在，再激勵三個單元，形成壹個七單元陣列系統，這些單元之間的間隔還是半波長(圖2)。增加天線的尺寸來增加輻射圖的方向性，即通過增加天線長度來實現。這樣的結果是產生更窄波束，產生更高定向增益。由於這裏僅增加了單元數量，定向增益的提高產生在相同方向上。相應地，在偏離輻射方向中心的地方增益大大地降低，因此在方向對準時所允許的誤差將很小。這種陣列天線的另壹個優勢是，系統可以在不改變結構性設計的條件下改變信號發射方向。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="圖1：用相同電流來驅動多個天線的每個單元，這樣可以實現更大的天線結構，總的信號輻射圖是各個單元的叠加。">
圖1的定向增益集中在陣列中心線上，因為在這種情況下，激勵相位與輻射圖相位(圖中未表示出)是相同的。零相位差意味著輻射圖的叠加是壹致的，因此四個或七個單元組成的系統很直觀。在沒有相同激勵電流，即有意地對每個單元的激勵電流逐個地采用壹定相位偏移，這樣相位相加的結果將與陣列中心呈壹定角度。
當前實現相位調整的壹個方法可以采用可編程移相器，其實現原理很簡單，即不斷地發送指令到移相器使波束很快地改變方向。因此，如果合理利用這個特點，該系統有很明顯的可利用優勢。
數字波束成形
波束成形器(beam former)是壹種能在振幅和相位上控制單元激勵的天線結構，圖2提供了波束成形的壹個基本示例。將圖1改變成圖2的系統，圖2增加了三個激勵單元。圖1中“關斷”的三個單元只是將其激勵信號編程到零。激勵信號有兩個變量可以改變：幅度和相位。這兩個量提高了控制的靈活性，調整主波束的滾降特性和旁瓣(side-lobe)，增強信號的方向性，降低信號幹擾。
天線單元有兩個可變量：振幅和相位，這些量可以用壹個復指數來表示，即壹般所知的復數加權值Wk，下標k是線性單元的數量。上面的討論說明了只要對電子移相器編程就能實現移相，而不必采用插入壹定長度電纜或采用實現移相的無源電路。采用可變增益放大器(VGA)，可以通過調整其增益的指令字來驅動，並具有某些開關約束。這些可調整變量的組合***同定義了波束成形的結構。
數字技術的應用VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="圖2：天線陣列長度從4單元增加到7單元時，輻射圖的方向性增加，產生更強的定向增益(虛線為受控波束)。
">
以DSP形式來實現VGA和移相器單元，打開了在波束成形中嵌入各種智能特性之門。通過復雜的數學算法和閉環動態特性可以提供天線的容限和可靠性，以及升級的靈活性。這些數學實現方法相比於模擬方法可能更快，且更有效。
天線所獲取的信號壹般是射頻信號、微波和毫米波，很明顯這些頻率不是當前數字處理技術所能處理的。因此，壹個好的數字調制器和解調器壹般都有壹個數字電路來執行調制/解調功能。在通信系統中，該工作是在解調器上完成。在先進的通信系統中，其接收器有壹個射頻前端來實現信號下變頻，將其變換到A/D轉換器可以處理的頻率。其余的頻率變換是通過數字方式實現。
因此，我們有復數加權值和冪來產生壹個在定向增益和方向上都具有很寬變化範圍的天線輻射圖。如果加權值具有自適應特性，我們就能在閉環控制下通過自動修正使其效用最大化，並優化壹些功能特性，如最大化信噪比。
上面所討論的情形類似於自適應均衡器，因為自適應均衡器也采用復數加權值來減少符號間幹擾。在均衡器的應用中，我們會發送壹個“訓練序列”使均衡器熟悉信道特征，同樣，自適應波束形成器在優化其輻射圖所采用的技術中，我們也會用到類似的技術。
註意，符號間幹擾受多信道傳播影響。均衡器和自適應性天線提高了系統的性能，自適應天線可以消除多信道幹擾的影響，使之不能到達接收器。因此，可以看出支持自適應均衡所開發的數字算法也能用於支持波束成形。
本文小結
如果天線能以上面的方式增強信號強度，或通過調整復數加權因素來增大蜂窩分割大小，在輻射圖上生成波束峰值和零信號區，我們就稱這種天線為智能天線。智能天線對無線系統的影響存在於兩個方面：首先，與其它鏈接預算相比，定向天線上有很多分貝的可用信號強度；它會采用先進的硬核技術從接收器前端設計中減少幾個額外的噪聲分貝，或減少1dB的數字調制解調器損耗。
盡管以前的信號發射時，蜂窩內信號能量是均勻輻射，但其中大部分能量在樹葉和建築之間反射而浪費掉，而智能天線用精準的波束來對準用戶天線，這意味著更高的信號強度和更少的信號幹擾。這種可操控的輻射圖完全適合無線信道的動態特性，因為無線信道的特性通常處於不斷的變化之中。在第三代無線系統的設計過程中考慮這種技術特點。
作者：Rob Howald