大綜合課件天線智能簡(jiǎn)介

智能天線簡(jiǎn)介

§1相控陣天線§2智能天線系統(tǒng)§1相控陣天線智能天線是在相控陣天線、自適應(yīng)天線基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。相控陣、自適應(yīng)天線的研究在20世紀(jì)90年代以前主要集中在軍事領(lǐng)域，尤其是雷達(dá)領(lǐng)域。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，由于數(shù)字技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和移動(dòng)通信、個(gè)人通信的發(fā)展需要，提出了智能天線的概念。

相控陣天線（PhasedArrayAntenna）是通過(guò)改變陣列中各天線單元的信號(hào)相位關(guān)系來(lái)改變陣列天線方向圖的波束指向的天線陣。

相控陣天線有線陣、面陣、圓陣等多種形式，下面以線陣為例介紹其基本原理。設(shè)天線陣中各單元的激勵(lì)電流幅值為，相位為，假定各天線單元方向圖為各向同性，則線陣方向性函數(shù)為—使天線波束最大值在方向所需的各單元天線之間的相位差，它由各單元的移相器提供?！炀€波束的最大值指向；—相鄰單元波程差引起的相位差

式中對(duì)于均勻（等幅）分布，，設(shè)當(dāng)N較大時(shí)，因X很小，近似可得則由上式得天線陣的基本特性。1．波束指向

最大輻射條件是

所以

由可得波束指向輻射場(chǎng)的復(fù)相量和2．波瓣寬度

（2）當(dāng)X=0，即時(shí)，就可得天線方向圖的最大值。因此，對(duì)于某一空間方向θ，只要當(dāng)饋電電流相位差能彌補(bǔ)波程差引起的相位差，天線陣波束的最大方向就指向θ。結(jié)論：（1）改變饋電電流相位差就能改變天線波束最大值的指向。令即

可見(jiàn)，半功率波瓣寬度與天線陣總長(zhǎng)度成反比，且隨的增加而增大。

于是可得半功率波瓣寬度為令

3．天線波束的零方向于是可求得天線波束的零方向?yàn)?．天線波束的副瓣方向

可見(jiàn)，柵瓣方向既與（即）有關(guān)，又與陣元間距有關(guān)。時(shí)出現(xiàn)柵瓣。由上式可得

5．天線波束的柵瓣方向

結(jié)論：大部分天線波束特性均與有關(guān)，改變可改變波束指向、波瓣寬度、零方向、副瓣方向及柵瓣方向等。且調(diào)節(jié)可降低副瓣電平，因此，調(diào)節(jié)復(fù)加權(quán)系數(shù)即可調(diào)節(jié)天線波束的所有特性，故稱為“相控陣”。

§2智能天線系統(tǒng)（SmartAntennaSystem—SAS）

1．智能天線的基本組成智能天線系統(tǒng)由以下幾部分組成：

（1）天線陣列部分

（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換部分

下行時(shí)它將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)字信號(hào)；上行時(shí)，將處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。（3）智能天線的智能體現(xiàn)部分(b)以動(dòng)態(tài)自適應(yīng)加權(quán)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的自適應(yīng)波束形成網(wǎng)絡(luò)。(a)以數(shù)字信號(hào)處理器和自適應(yīng)算法為核心的自適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理器，用來(lái)產(chǎn)生自適應(yīng)的最優(yōu)權(quán)值系數(shù)。

主要體現(xiàn)在天線波束在一定范圍內(nèi)能夠根據(jù)用戶的需要和天線傳播環(huán)境的改變而自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整，它由兩個(gè)主要部分組成：其中2．智能天線的基本原理

假設(shè)期望的信號(hào)自方向入射，而干擾信號(hào)共有M-1個(gè)，分別來(lái)自其他用戶，其中第j個(gè)干擾信號(hào)為，是從方向入射的，則陣元接收的信號(hào)矢量為分別表示期望接收的信號(hào)矢量和干擾信號(hào)矢量，n(t)為噪聲矢量。而為在矢量信道中陣元的響應(yīng)矢量。對(duì)于陣元間距為d的N元直線陣，響應(yīng)矢量為經(jīng)過(guò)加權(quán)后天線陣的輸出上式中的三項(xiàng)分別表示：天線陣輸出的期望信號(hào)、干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)n(t)。

如何確定最佳權(quán)矢量W，以達(dá)到提取期望信號(hào)、抑制干擾信號(hào)和濾除噪聲信號(hào)n(t)是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3．智能天線的特點(diǎn)

（1）智能天線技術(shù)是利用信號(hào)傳輸?shù)目臻g特性以達(dá)到抑制干擾、提取信號(hào)的目的。（2）接收者可以利用信號(hào)與干擾的來(lái)波方向的不同，即信號(hào)與干擾的空間入射角來(lái)區(qū)分信號(hào)與干擾。這是由于在一般情況下，期望的信號(hào)和不希望的干擾往往是來(lái)自不同的方向。（3）智能天線所形成的波束可實(shí)現(xiàn)空間濾波的作用，它對(duì)期望的信號(hào)方向具有高增益，而對(duì)不希望的干擾信號(hào)實(shí)現(xiàn)近似零陷作用，以達(dá)到抑制和減少干擾的目的。（4）智能天線的波束一般情況下是隨著每個(gè)用戶發(fā)出的期望信號(hào)的到達(dá)方向（最強(qiáng)信號(hào)路徑）的改變而動(dòng)態(tài)地改變。在移動(dòng)通信中，至少要求智能天線跟蹤變化的速度要大于用戶移動(dòng)及信道快衰落的變化速率，才能起到自適應(yīng)跟蹤用戶的目的。（5）在移動(dòng)通信中，為了使智能天線早日實(shí)用化，一般采用了分兩步走的方案：準(zhǔn)動(dòng)態(tài)予多波束的智能天線和全自適應(yīng)陣列式自動(dòng)跟蹤用戶的智能天線。（6）所謂準(zhǔn)動(dòng)態(tài)預(yù)多波束的智能天線是指在接收或發(fā)送端預(yù)先設(shè)置了一組N個(gè)不同入射角方向的窄波束，再根據(jù)接收或發(fā)送所判斷出的期望信號(hào)的來(lái)波方向，并根據(jù)一定的信號(hào)誤差準(zhǔn)則，在預(yù)置的N個(gè)窄波束中選取一個(gè)最合適的波束，并及時(shí)切換至該波束上接收或發(fā)送期望信號(hào)。（7）所謂全自適應(yīng)陣列自動(dòng)跟蹤式智能天線，即在接收或發(fā)送端利用一組（N個(gè)）陣列天線，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)整加權(quán)值，達(dá)到形成若干個(gè)（M個(gè)）自適應(yīng)波束，同時(shí)自動(dòng)跟蹤若干個(gè)（M個(gè)）用戶的目的。這種全自適應(yīng)型的智能天線，當(dāng)用戶數(shù)目較大（M較大）時(shí)，特別是在時(shí)變多徑衰落信道條件下，其實(shí)現(xiàn)有相當(dāng)?shù)碾y度。目前仍處于探索階段，但它是智能天線發(fā)展的最終目標(biāo)。

4．結(jié)束語(yǔ)

智能天線的基本思想是利用各用戶信號(hào)空間特征的差異，采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)某個(gè)接收準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)節(jié)各天線陣元的加權(quán)向量，達(dá)到最佳接收和發(fā)射，使得在同一信道上接收和發(fā)送多個(gè)用戶的信號(hào)而不互相干擾。

智能天線根據(jù)信號(hào)的空間特性差異區(qū)分信號(hào)，它在傳統(tǒng)的時(shí)分多址(TDMA)、頻分多址(FDMA)和碼分多址(CDMA)之外引入了第四種多址方式：空分多址(SDMA)。在未來(lái)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱3G）中，智能天線將發(fā)揮重要作用，我國(guó)提出的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)T