大綜合課件天線智能簡介

智能天線簡介

§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)展和移動通信、個人通信的發(fā)展需要，提出了智能天線的概念。

相控陣天線（PhasedArrayAntenna）是通過改變陣列中各天線單元的信號相位關(guān)系來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

式中對于均勻（等幅）分布，，設(shè)當(dāng)N較大時，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的復(fù)相量和2．波瓣寬度

（2）當(dāng)X=0，即時，就可得天線方向圖的最大值。因此，對于某一空間方向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，半功率波瓣寬度與天線陣總長度成反比，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為4．天線波束的副瓣方向

可見，柵瓣方向既與（即）有關(guān)，又與陣元間距有關(guān)。時出現(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

下行時它將模擬信號轉(zhuǎn)換成便于數(shù)字信號處理的數(shù)字信號；上行時，將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。（3）智能天線的智能體現(xiàn)部分(b)以動態(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)字信號處理器和自適應(yīng)算法為核心的自適應(yīng)數(shù)字信號處理器，用來產(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)期望的信號自方向入射，而干擾信號共有M-1個，分別來自其他用戶，其中第j個干擾信號為，是從方向入射的，則陣元接收的信號矢量為分別表示期望接收的信號矢量和干擾信號矢量，n(t)為噪聲矢量。而為在矢量信道中陣元的響應(yīng)矢量。對于陣元間距為d的N元直線陣，響應(yīng)矢量為經(jīng)過加權(quán)后天線陣的輸出上式中的三項分別表示：天線陣輸出的期望信號、干擾信號和噪聲信號n(t)。

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

3．智能天線的特點

（1）智能天線技術(shù)是利用信號傳輸?shù)目臻g特性以達(dá)到抑制干擾、提取信號的目的。（2）接收者可以利用信號與干擾的來波方向的不同，即信號與干擾的空間入射角來區(qū)分信號與干擾。這是由于在一般情況下，期望的信號和不希望的干擾往往是來自不同的方向。（3）智能天線所形成的波束可實現(xiàn)空間濾波的作用，它對期望的信號方向具有高增益，而對不希望的干擾信號實現(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用戶發(fā)出的期望信號的到達(dá)方向（最強(qiáng)信號路徑）的改變而動態(tài)地改變。在移動通信中，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）在移動通信中，為了使智能天線早日實用化，一般采用了分兩步走的方案：準(zhǔn)動態(tài)予多波束的智能天線和全自適應(yīng)陣列式自動跟蹤用戶的智能天線。（6）所謂準(zhǔn)動態(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的來波方向，并根據(jù)一定的信號誤差準(zhǔn)則，在預(yù)置的N個窄波束中選取一個最合適的波束，并及時切換至該波束上接收或發(fā)送期望信號。（7）所謂全自適應(yīng)陣列自動跟蹤式智能天線，即在接收或發(fā)送端利用一組（N個）陣列天線，通過自適應(yīng)調(diào)整加權(quán)值，達(dá)到形成若干個（M個）自適應(yīng)波束，同時自動跟蹤若干個（M個）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，特別是在時變多徑衰落信道條件下，其實現(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

智能天線的基本思想是利用各用戶信號空間特征的差異，采用陣列天線技術(shù)，根據(jù)某個接收準(zhǔn)則自動調(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)送多個用戶的信號而不互相干擾。

智能天線根據(jù)信號的空間特性差異區(qū)分信號，它在傳統(tǒng)的時分多址(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)。在未來的第三代移動通信系統(tǒng)（簡稱3G）中，智能天線將發(fā)揮重要作用，我國提出的第三代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)T