用于3G系统智能天线的设计

时间：2007-09-24

　　摘要:根据我国提出的3G系统标准( TD - SCDMA) 的技术规范,本文提出了一种用于3G系统基站的智能天线的设计方案,在设计中引入了智能天线的概念,采用了圆形阵列结构形式,利用优化算法和矩量法相结合的方法对阵元及阵列的性能进行了优化设计,并且对设计方案进行了系统仿真分析. 仿真结果符合设计指标要求, 从而证明了设计方案的可行性. 该方案的提出对于指导3G系统中智能天线的设计工作具有指导意义.
　　关键词:三代系统;智能天线;印刷振子;优化设计
引　言

　　目前,应用于移动通信系统中的基站天线有全向、定向和各种扇区天线. 为了适应3G系统标准,对于基站天线提出了智能化要求,即引入了智能天线系统(简称SAS) 的概念. 我国发展3G 系统的动机主要侧重在频率利用率、无线电覆盖效率、经济性能、灵活性、系统渡性等方面. 首先,3G系统频率利用率要高,要能适应高业务密度地区宽带业务的要求,使高业务密度地区达到同样的业务质量,需要较少的基站;其次,要有好的无线覆盖性能,使得低业务密度地区达到同样的覆盖. 这两方面都对移动通信系统基站提出了很高的要求. 因此,提高系统基站天线性能的研究工作就显得尤为关键和重要了.
1 　阵列天线结构设计
1. 1 　智能天线的概念
　　通常智能天线可以定义为固定天线与数字信号处理的结合,构成可以动态配置的天线特性. 智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位置关系,也就是利用了信号的相位关系,这是与传统分集技术本质上的区别.
　　智能天线分为两大类:多波束智能天线与自适应阵智能天线,简称多波束天线和自适应阵天线. 自适应阵天线一般采用4～16 天线阵元结构,阵元间距为1/2 波长,若阵元间距过大,则接收信号彼此相关程度降低,太小则会在方向图上形成不必要的栅瓣 ,故一般取半波长.
　　阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型. 自适应天线是智能天线的主要类型,可以实现全向天线,完成用户信号接收和发送. 自适应阵天线系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束. 自适应阵天线根据用户信号的不同空间传播方向提供不同的空间信道,等同于信号有线传输的线缆,有效克服了干扰对系统的影响.
　　圆形阵列具有良好的平面全向扫描特性,可以为智能天线的快速赋形创造条件. 国际上一些机构也把圆形阵列作为智能天线的重点选型 .本文着重研究圆形阵列天线的实现方法.
1. 2 　阵元的设计
　　大多数基站天线采用U 形振子或同轴振子,通常用机械加工方法实现. 这种方法,即便是采用精密铸造、模具冲压、数控切割等先进工艺,仍然很难保证智能天线的要求,特别是馈电网络,更加难以保证. 为了保证阵列单元的一致性,智能天线阵的设计,必须使用印刷天线技术.
　　本设计中采用了同轴直排印刷振子的形式组成共线阵. 阵元的增益,取决于振子的数量,适当增减振子的数量,可以满足增益的设计要求. 通过对振子结构和尺寸的优化设计,可以使得阵元天线在满足设计指标如增益、频带、驻波、不圆度等要求的条件下获得性能.
1. 3 　阵列的设计
　　设计的阵列天线采用圆形结构,构成阵列的各个阵元均匀分布在直径为D 的圆周上.
　　根据阵列天线理论可知,对于N 元对称振子(平行于Z 轴) 组成的单层圆形平面阵,如果假设每个振子上的电流为正弦分布,则其远区辐射场为
　　ρ_n是第n 个单元的位置矢, l 为振子臂长,ξ_n是位于φ = φ_n的第n个元的激励相位, In 是其激励电流的波腹值,圆周半径ρ = D/2．
　　因此,天线阵的增益取决于单个阵元的增益和阵因子的增益. 在单个阵元天线增益确定后,阵因子的增益就是要考虑的主要因素了. 根据提出的结构尺寸范围要求,本文以阵因子增益为目标,分别以N = 8 、N = 10 及N = 16 对阵列结构进行了优化,结果见图2. 从图中可以看到圆形阵列天线直径为D = 182 mm.
1. 4 　阵列天线的技术规
　　表1 给出了圆形阵列天线的指标要求.

2 　基站智能天线的仿真结果

2. 1 　阵元仿真结果
　　对具有6个振子的同轴直排印刷天线进行了分析计算,得到的仿真结果如下:阵元天线增益为9. 2dBi ,驻波比小于1.8 ,H 面和E面的方向图见图3和图4. 由图3看到阵元天线的不圆度< 0. 5dB ,由图4可以看出阵元天线的主副比大于13dB ,3dB 波束宽度等于12°,所以阵元性能指标满足要求.
2. 2 　阵列仿真结果
　　利用阵元天线仿真结果,结合阵列天线阵因子性能,对圆形阵列天线的性能进行了仿真. 用于广播波束的全向方向图见图5 ,进行赋形用于业务波束的方向图见图6 ,其中用于赋形的相移网络参考相位为[ 0 ,0 ,120. 6 , - 68. 8 ,51. 8 ,51. 8 ,- 68. 8 ,120. 6 ] .其中广播波束的全向增益Gomni = 14. 42dBi ,赋形业务波束的增益G >15dBi ,均满足设计要求.
　　上述全部仿真结果是在未考虑阵元间的互耦条件下得到的. 实际应用时,由于互耦、损耗等因素的影响,增益肯定会小于仿真结果. 但在设计时已留出了裕量,因此仿真结果是可以用于指导实际应用的.
3 　结束语
　　本文简单介绍了智能天线的基本概念,针对阵列天线的设计及实现进行了深入的研究. 提出了具体的圆形阵列天线的设计方案,并且对方案进行了仿真计算,对阵元天线的性能及阵列的结构进行了优化设计. 尽管仿真模型是建立在理想条件下,但仿真结果与实际设计指标还是比较接近的,因此对于实际设计是有指导意义的. 可以通过实验,进一步改进模型,提高模型的,从而进一步提高仿真. 这一智能天线是针对我国提出的3G系统标准设计的,用于系统基站,以提高基站的无线覆盖性能,增加系统容量. 该方案的提出对于3G系统中智能天线的研发工作具有指导意义.

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