单极化线形智能天线阵小型化技术研究

陈 伟，郝宏刚，景小荣，张祖凡，卢化晓

(1.重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400065;2.重庆邮电大学移动通信技术重点实验室，重庆 400065;3.中国电子科技集团公司第54研究所通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081)

智能天线的概念于20世纪80年代末90年代初提出，来源于阵列天线中的自适应天线理论，利用阵列信号处理技术和相控阵原理，产生高增益的窄波束，使天线的主波束对准期望信号方向，低增益的副瓣甚至零陷对准干扰信号方向，从而达到提高信号干扰噪声比、提高系统的频谱复用率和增加系统容量的目的。智能天线技术可以为通信系统的性能和容量带来较大的改善。因此，3G标准均引入了智能天线技术，尤其是中国提出的3G标准TD-SCDMA更将智能天线技术作为其核心技术，并且在TD-SCDMA系统中采用智能天线技术更具实现优势［1］。目前智能天线不仅应用于移动通信网络，且在数字电视中也得到了广泛应用，并为提高数字电视尤其是车载数字电视的信号接收稳定度开辟了蹊径［2］。

智能天线为了产生高增益的窄波束，必须采用由多个天线单元组成天线阵的形式。这就意味着1个单元间距为0.5 λ(λ 为2 GHz所对应自由空间波长，0.5 λ =75 mm)的8单元TD-SCDMA线形智能天线阵，其横向电尺寸大约在675 mm左右［3-4］。智能天线阵较大的横向电尺寸给网络建设和工程施工带来了诸多问题，因此小型化是智能天线今后发展的主要趋势［5］。目前，智能天线小型化技术方案主要有3种［6］，分别是减少天线阵单元数、紧凑型智能天线和双极化智能天线。3种方案都是力求在不降低网络性能的同时尽量减小智能天线的横向电尺寸。其中，紧凑型智能天线阵是通过调整天线单元间的距离，降低天线阵的横向电尺寸，该方法简单，容易实现。本文根据文献［6］提出的智能天线小型化技术方案，对单元间距为45 mm的紧凑型智能天线阵进行设计和分析。同时，对天线阵单元非等间距排布的几种方案的性能进行分析，着重研究在实现天线阵的横向电尺寸减小的情况下，天线阵的总体性能的变化，为智能天线阵的小型化提供理论依据。

为了进一步考察阵元间距对智能天线阵列性能的影响，该方案利用仿真软件分别对紧凑型等间距、非等间距线形智能天线阵的性能进行了对比，其研究结论对于推进智能天线阵小型化设计的工程应用具有一定的参考价值。

1 基本原理

智能天线源于阵列天线中的自适应天线，它通过调节各单元信号的加权矢量来改变方向图形状，使主波束对准期望信号方向，零陷或副瓣对准干扰信号方向。一种线形智能天线阵结构如图1所示。

图1 线形智能天线阵结构

假设由N个相似元组成线形阵，第n个单元沿x轴位于xn，天线阵的方向图函数可表示为

式中:Fe(θ，φ)为第n个单元的方向图。

式(2)为阵因子，In为第n个单元激励电流。若天线阵为等间距均匀激励，单元间距为d，电流相位线性渐变，且相邻两个单元的相位差为一个固定值∂，则激励电流可表示为

阵因子可表示为

因此可得出天线阵的半功率波瓣宽度为

由式(5)可知，半功率波瓣宽度随单元间距的减小而增大。当天线阵采用非等间距线阵列结构时，依据参考文献［7］可知，通过调整单元的激励幅度可降低副瓣电平，当激励幅度自中心向两端锥削时，可使副瓣降低，其代价是主瓣宽度展宽。因此，非等间距线形阵可等效为单元激励幅度锥削的等间距线形阵，当两者的口径尺寸相同时，可获得相似的方向图。考虑到该研究的重点是横向电尺寸缩小后天线阵的性能的变化，根据实际情况，本文研究的非等间距线形阵的最大间距为0.5 λ。

2 紧缩型线形智能天线阵的设计

笔者对单极化智能天线阵进行了设计和研究，假设天线阵由8个单元(8通道)线形排布组成，每个单元由8个空气耦合阵子并联组成，每个单元的工作频段满足TD频段要求。

2.1 半波对称振子和智能天线阵单元的设计

设计对称振子结构如图2所示，天线采用厚度为1 mm的铝板，天线采用50 Ω的空气微带线中心耦合馈电，通过调节阵臂的长度改变天线的谐振频率，以调节振臂的宽度和馈电片的长度来改善天线的带宽。通过HFSS10.0仿真优化，最后得出振子长70 mm，振子臂宽15 mm，馈电片宽6.45 mm，长61 mm，天线到反射板的距离为35 mm。仿真结果如图2～图4所示。当振子的工作频率为1770 ～2260 MHz时，VSWR ≤1.5，相对带宽达到了24.5% ，满足TD工作频段(1880～1920 MHz，2010 ～2025 MHz)要求，且天线在2.0 GHz时的增益达到了8 dB。

采用上述设计的8个振子组成1个智能天线阵单元，根据笔者的仿真经验，相邻的2个振子间隔定为130 mm，通过1个微带T接头连接，由于2个相邻振子的馈电端口朝向不一致，若直接对其进行馈电，会造成馈入2个振子的信号反相。因此，通过控制馈线的长度，使其物理长度相差180°的电长度，达到对2个振子进行同相馈电的目的，最后通过3个二等功分器对8个振子进行等幅等相位馈电，天线阵单元结构和回波损耗如图5～6所示。

2.2 紧凑型等间距线形智能天线阵

为了抑制栅瓣，智能天线阵单元间距通常为0.5 λ(75 mm)。紧凑型天线阵压缩单元之间的间距，这样可以有效地减小天线阵的横向电尺寸。但由于间距缩小后单元间的互耦影响加剧，此时天线阵的方向图不但与不同方向来波在各天线单元上产生波程差相位有关，而且与各天线单元的阻抗不一致引入的幅度和相位有关［8］。具体表现为天线单元间的互阻抗增大，导致天线阵方向性系数减小，赋形增益下降，方向图主波束展宽。如图7所示，当单元间距缩小为45 mm时，天线阵赋形的增益下降了3 dB，半功率主瓣宽度增加了9°，但天线阵的横向电尺寸却减少了31%。

图7 45 mm，75 mm等间距线形阵xoz面方向图比较

2.3 紧凑型非等间距线形智能天线阵

研究表明，非均匀线形阵可以明显地减小天线阵的副瓣电平［9］。非均匀线形阵有两种方案:一种是均匀激励非等间距线形阵;另一种是非均匀激励等间距线形阵。由于第二种方案在实际应用中需要复杂的馈电网络，为了减小智能天线系统的复杂性，本文选择第一种方案。设计了3种非等间距线形阵，如图8所示，其中(a)和(b)是基于参考文献［9］，间距的递增因子分别为0.2和0.1，最大间距为0.5 λ，而(c)的排列分布可等效为相同口径的正弦幅度加权的等间距线形阵，第n个单元位于［10］

式中:L=675 mm，通过计算，第1个单元到第2个单元以及第7个单元到第8个单元的间距为0.87 λ，这时天线阵会产生2个较大的副瓣;当减小到0.5 λ时，2个较大的副瓣消失，因此第1个单元到第2个单元以及第7个单元到第8个单元的间距取0.5 λ。通过仿真可以得出，与间距为75 mm的8单元等间距线形阵相比，采用方案a天线阵最大副瓣电平减小6 dB，半功率主瓣宽度增加3.3°，天线横向电尺寸减少了20%;采用b方案天线阵最大副瓣电平减小5 dB，半波主瓣宽度增加1.4°，天线横向电尺寸减少了9.18%;采用c方案天线阵最大副瓣电平减小7 dB，半波主瓣宽度增加2.7°，天线横向电尺寸减少了15.1%。如图9所示，副瓣电平的减小是以增加主瓣宽度为代价，且非等间距线形阵的零陷有了不同程度的上升，天线阵赋形增益下降1.2 dB左右。

图8 3种非等间距线形阵结构

由上文分析可以得出，紧缩型等间距线形阵的赋形增益下降了3 dB，半功率主瓣宽度增加了9°，但天线阵的横向电尺寸却减少了31%。紧缩型非等间距线形阵可以使天线阵的第一副瓣电平降低5～7 dB，横向电尺寸减少9.18% ～20%。

3 结语

本文首先完成了单极化线形智能天线阵的设计，研究了通过缩小单元间距来减小智能天线阵的横向电尺寸，对紧缩型等间距和非等间距线形智能天线阵进行了仿真和分析，得出智能天线阵横向电尺寸的减小是以降低天线阵性能为代价。这些结论对于实际工程应用中基站端天线类型的选址，具有一定的参考意义。由于利用HFSS软件仿真大电尺寸的天线需要耗费大量的计算机资源，受硬件条件限制，无法对单元间距缩小后天线单元间的隔离度进行研究，因此今后将着重研究天线阵单元间距对单元间隔离度的影响。

图9 等间距线形阵与非等间距线形阵xoz面方向图比较

［1］蒋年专.智能天线及其在TD-SCDMA中的应用［J］.通信技术，2003(5):59-61.

［2］晋军，程剑，朱德生.智能天线及其在数字电视中的应用［J］.电视技术，2004，28(7):46-48.

［3］BELLOFIORE S，BALANIS C，FOUFZ J，et al.Smart-antenna systems for mobile communication networks part I:Overview and antenna design［J］.IEEE Antenna’s and Propagation Magazine，2002，44(3):145-154.

［4］WANG Maowen，HE Yejun，ZHU Guangxi，et al.Design and simulation of dipole and cable-fed network of td-scdma smart antenna［C］//Proc.IEEE International Conference on Communications and Mobile Computing.［S.l.］:IEEE Press，2002:65-69.

［5］张斌.突破瓶颈智能天线走向“四化”［J］.电信技术，2008，11:29-32.

［6］刘龙山.智能天线小型化的发展［J］.电信科学，2008(2):90-91.

［7］康行健.天线原理与设计［M］.北京:北京理工大学出版社，1993:115-121.

［8］姚超军.互耦合对小间距天线阵增益影响的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工业大学，2007.

［9］TAN N，RAHIM S，ALI M，et al.Smart antenna:weight calculation and sidelobe reduction by unequal spacing technique［C］//Proc.IEEE International RF and Microwave Conference .［S.l.］:IEEE Press，P.D 2008:441-444.

［10］王建 .列阵天线分析与综合［EB/OL］.［2011-04-25］.http://www.docin.com/p-40023172.html.