TD-LTE智能天线性能分析和应用研究

王浩年 符新 周巍 姜文博

【摘要】 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。TD- SCDMA最大的优势是把相控阵雷达天线的原理搬到蜂窝移动通信的智能天线上来，过去2G、3G天线大多采用单频道的天线，本文研究的LTE只能天线是一种多阵列、紧凑型、双极化的天线，因此，充分利用多阵列的特点就可以打造更好的网络。一个蜂窝电话有三个扇区，一个扇区覆盖120度，两个扇区之间重叠是弱信号区，要改善这一区域是非常困难的，作为2G或3G天线，不同的场合要用不同度数的天线，更换起来非常麻烦，但是智能天线则不同，它仅有一个天线，在不同的环境、不同的场景中，我们可以通过基站的软件设置、电场设置就可以改变。

【关键词】 智能天线 多阵列 双极化 扇区

一、概述

随着技术的发展，智能天线在TD-LTE系统中的应用得到了越来越多的关注[1]。智能天线的性能和其他关键技术的结合、兼容性以及带来的问题等都成为研究热点。智能天线采用空分多址方式进行空间信号处理技术，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的用户区分开来，它的基础是用户信号的空间特征。将其和其他多址技术结合，可以最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、衰落、多径、同信道干扰等，使通信质量受到严重的影响。

天线波束下倾是解决上述问题的主要方式，通过改变天线垂直方向图主瓣的指向，使其主瓣指向覆盖小区，零点或者副瓣对准受其干扰的同频小区，这样既改善了小区覆盖范围内的信号强度，又减小了对其他同频小区的干扰，提高了系统的频率复用能力，增加了系统的容量[2]。智能天线的电调化使得无需机械调节即能达到直接波束下倾的效果，并使天线下倾角调节不仅可以在通信塔现场进行，也可以选择在机房中通过网络远程完成[3]。因此，电调智能天线使TDLTE网络优化工作更加快捷和便利。

二、相控阵天线理论

2.1 天线概论

天线的作用是将馈线（电缆、波导等）中的导波场转换成空间辐射场，并接收目标反射的空间回波，将回波能量转换成导波场，由馈线送入接收系统[4]。评估天线性能的主要参数包括天线辐射方向图、增益、极化、带宽、扫描等。

天线方向图F（e，40）给出了天线远场功率密度随角度的变化。天线方向图根据主瓣形状分为全向波束、笔形波束、扇形波束和赋形波束四大类。通信天线中圆阵天线所形成的即为全向波束，面阵天线业务波束为笔形波束，广播波束为扇形波束，俯仰面为上零点填充下副瓣抑制为赋形波束。从天线辐射方向图我们可以得到天线主瓣半功率波束宽度HPBW、副瓣SLL、波束指向等体现天线性能的几项主要参数[5]。

天线增益G是天线最重要的参数，体现了天线将辐射能量集中照射在某个方向的能力。增益与天线的口径面积成正比，与工作波长的平方成反比。在工作频率一定的情况下，天线的口径尺寸越大，天线的增益越高；同样，在口径尺寸一定时，工作频率越高，天线增益越高。

天线的极化方向定义为电场矢量的方向。如果电场矢量沿直线往返运动，就是线极化，线极化又分为水平线极化和垂直线极化。如果电场矢量的长度恒定而绕圆圈旋转，就是圆极化。如果波朝观察者方向行进且顺时针旋转，则为左旋圆极化；如果是逆时针旋转，则为右旋圆极化。椭圆极化可以看成不完全的圆极化，其电场矢量的运行轨迹是椭圆。根据互易定理，天线的发射和接收必须极化匹配。极化的纯度也是天线设计过程中必须考虑的，例如水平极化天线也会在某些方向产生少量与之正交的垂直极化，在此我们将所需要的水平极化称之为主极化，不希望的垂直极化称之为交叉极化。交叉极化会引起杂波、干扰等问题，需要在设计过程中进行控制。

2.2 阵列天线

阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。组成阵列的可以是线元、口径面元、微带贴片等各种形式的辐射单元。阵列规模可以是几个甚至几十万个辐射单元。人们可以通过选择和优化辐射单元的结构形状、排列方式和馈电幅相得到单个天线难以提供的优异辖射特性。阵列天线是相控阵天线的基础[6]。

图2.1给出两个间距为s，等幅同相激励的各向同性单元。输入单位功率时，它们的电场矢量作为e的函数在远区相加。其矢量和即是辐射方向图。

2.3 相控阵天线

相控阵天线是由许多辐射单元排列成阵所构成的阵列天线，各单元的幅度激励和相位关系可控。在一维直线上排列若干辐射单元形成的阵列即为线阵；在二位平面上排列若干辐射单元称为平面阵；辐射单元排列在曲线或者曲面上，则构成共形阵。共形阵则可以突破一般线阵和平面阵扫描范围的限制，实现更大空域电扫。典型的相控阵天线利用数字控制移相器改变天线阵元相位分布来实现波束的快速扫描[7]。

相控阵天线的主要技术特点和优势在于：

（1）天线波束的快速扫描能力

相控阵天线的快速扫描能力是促使相控阵雷达推广应用和高速发展的基本原因。这一能力基于阵列天线及阵列中各天线单元通道之间的信号传输相位快速变化能力，对于采用数字移相器的相控阵天线，一般可以在几个微秒内实现雷达波束形成和波束位置转换。

（2）天线波束形状的捷变能力

天线方向图函数是口径照射函数的傅立叶变换，通过改变阵列各单元通道内的信号幅度和相位，即可改变天线波束形状。天线波束形状的捷变能力使得相控阵天线快速实现波束赋形，从而具有快速自适应空间滤波的功能。

（3）空间功率合成能力

用相控阵天线，可在每一单元通道或每个天线子阵上设置一个发射功率放大器，依靠移相器的相位变化，使发射天线波束定向照射，即发射信号聚焦于空间某一方向。这一特点为雷达系统的设计带来了极大的方便和灵活性，解决了超远程微波及毫米波雷达所需超高功率的实现问题。

（4）天线与雷达平台共形能力

阵列天线将整个天线分为许多各天线单元，如果将其与雷达平台表明共形，可以减少或消除天线对雷达平台空气动力学性能的影响。相控阵天线为共形阵各项功能的实现提供了技术保证。采用先进信号处理的有源共形相控阵天线在雷达和通信领域具有广阔的应用前景[8]。

（5）多波束形成能力

相控阵天线通过转换波控信号，可以很方便的在一个重复周期内形成指向不同的多个发射波束。形成多个接收波束则可以通过将通道内信号经低噪放放大后分别送入多个波束形成网络来实现。多波束以及波束形状捷变，为相控阵雷达系统性能提升增加了新的潜力。

（6）相控阵雷达的分散布置能力

将相控阵天线的概念加以引申，一步相控阵雷达有多部分散布置的子雷达构成，在各子雷达天线之间采用相应的时间、相位和幅度补偿，依靠先进的信号处理办法，获得更有的抗干扰能力、角度分辨力等，是今后相控阵雷达发展的一个重要方向[9]。

三、误差分析

当相位或幅度存在误差时，会对天线的副瓣电平、波束指向、增益等产生影响。误差通常有两类：随机误差和相关误差。随机误差通常是受元器件极限精度限制而产生的非相关的幅相误差，如因移相器、馈电网络、辐射单元和机械结构而引起误差。建造低副瓣天线的任务要求把每一种幅度误差和相位误差尽量减小。天线阵列的单元数目越少，误差对天线性能的影响就越大，因此误差容限就越严格。相关误差会造成高电平的峰值副瓣，对天线性能的影响程度更大。有移相器引起的周期性相位误差就是典型的相关误差。相控阵天线因为阵列规模大，成本高，常采用子阵形式，子阵结构的周期性会导致较高电平的周期性栅瓣，是我们在设计过程中必须尽量避免的。

四、总结

从继承和发展体现TDD技术优势的多天线波束赋形技术、充分优化LTE性能并有效控制干扰以及工程建设需求的三重驱动下，在TD-LTE中如何发展和用好智能天线技术将成为未来技术发展的热点。目前，对于智能多天线技术在LTE中应用的研究仍处于初期，后继在推广及应用过程中还有很多具体问题需要克服和解决，包括标准化的完善、关键性能测试及验证等。总的来看，智能天线技术在TD-LTE中的研究和应用必将为未来TDD技术在LTE制式的竞争和发展中发挥重要而独特的作用。

参考文献

[1] 马颖.TD-LTE基站智能天线性能分析[J]. 电信科学， 2012，11.

[2] 尧文彬. TD-LTE室外天馈系统解决方案探究[J]. 2013年信息通信网络技术委员会年会论文集，2013

[3] 蒲晓维，刘旭，白昱，宋林所 .TD-LTE天线HBW在典型场景下的仿真评估[J]. 电信工程技术与标准化，2013，7

[4] 董炎杰. A STUDY OF BS ANTENNA CONFIGURATION IN TD-LTE SYSTEMV [J]. 2011年IEEE通信技术与应用国际大会（IEEE ICCTA2009），2011

[5] 熊兵.自适应天线在移动通信中的应用研究，西安电子科技大学硕士论文，2002

[6] 李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准[M].第2版.北京：人民邮电出版社，2003

[7] 吴津钟，郑智，陈明.智能天线技术对TD-SCDMA系统容量的影响[J].通信工程，2006（1）：11-13

[8] 张兴华，郭俊能.TD-SCDMA中的智能天线技术[J].移动通信，2003，27（12）：32-33

[9] 刘明罡，冯正和，电下倾天线改善蜂窝系统性能的研究[J].电波科学学报，2005，20（3）：316-320