蜂窝移动通信基站天线技术的研究进展

蜂窝移动通信基站天线技术的研究进展

随着电子技术的发展和蜂窝技术的不断发展，移动通信行业，尤其是蜂窝移动通信在世界范围内得到了迅速发展。随着移动通信系统容量和质量的不断更新，基站天线的性能指标要求越来越高。在复杂的移动通信环境下，移动通信通常受到地形、温度、湿度等环境因素的影响。移动噪声在空中传播时受到许多影响，这将不利于通信质量。通信系统优化的目标之一是为人们提供可接受的通信质量。因此，有必要采取必要的技术方法和方法来提高通信质量。基站天线的设计不仅限于天线电脑化的设计本身，还应从系统设计的角度充分考虑传播、系统和环境的因素，充分挖掘天线硬件的所有潜力，形成一个适应系统要求的多功能天线系统。作者分析了基站天线在移动通信系统中的功能和系统要求，揭示了高性能基站天线设计中的一些核心内容，描述了一些新的基站天线，并介绍了在基站中使用智能天线技术的问题。1理论与网络的对接在蜂窝移动通信系统中,基站天线的作用就是在基站与服务区域内各移动站之间建立无线电传输线路.在蜂窝移动用户和固定电话用户的通信过程中,仅有移动站是无法完成整个通信过程的,还必须有基站收发信机、基站控制器、移动交换中心等的配合才行.在空中接口的物理层部分,移动站和基站间的通信必须有基站天线的配合方可完成.由此可见,基站天线是蜂窝移动通信系统中的一个关键部件,它扮演着“上传下达”的重要角色.由于移动通信基站天线工作在复杂的移动传播环境中,基站天线的设计须根据系统设计的要求得出天线硬件的技术指标.图1给出了移动通信系统要求和基站天线技术之间的关系.现代移动通信的发展对天线设计师提出了前所未有的挑战,要求研制小型化、重量轻、低剖面且易于安装的天线,而且要满足电性能指标,特别是带宽和效率指标.同时还要求天线具有一定的系统功能,如分集接收能力,降低多路径衰落,极化特性的选择性,以及对环境条件的自适应性等.2常规生态型基坑天线的结构基站天线的结构取决于其业务区的大小和形状,以及蜂窝结构和信道数量.常规实用型基站天线的结构如图2所示,它由线阵或面阵天线加反射板构成.阵列通常采用均匀激励方式.下面介绍基站天线设计中必须考虑的几个问题以及相关的研究状况.2.1视频信号天线单元基站天线单元的研制是基站阵列天线设计的基础.为满足通信中多频带、多极化的需要,首先要求天线单元具有相应的特性.在移动通信中,为减小天线之间的干扰,降低成本,希望能减少天线数目.通常宽带微带印刷偶极子被选作基站天线的单元.Nunes等提出了双频段微带印刷单元,而Zaharis等采用粗振子天线作为基站天线单元,Kim等则从设计波束倾斜加载天线单元的角度来考虑实现基站天线垂直面波束倾斜.2.2变桨反射板形状设计基站天线水平面辐射方向图要根据服务区的形状确定.对于基站多扇区配置,通常要求基站天线水平面辐射方向图具有65°,90°或105°的3?dB3?dB波瓣宽度.通常采用角形反射器或矩形平板等结构形式的反射板来实现扇形波束.为了使天线能满足水平辐射波瓣宽度且具有较大的前后比特性,需要对反射板的形状进行设计.Rikuta等对各种形状反射板的前后比特性进行了深入的研究,为合理地选用反射板形状提供了一定的依据.另外,反射板的多频带特性也是值得研究的问题.2.3天线的快速精确分析由图2可见,基站天线是一种结构较复杂且电尺寸相对较大的天线,其快速精确分析是一个值得研究的问题.由于其反射板尺寸有限且结构不一定是简单的平板,因此不能简单地用无限大地面近似.高性能基站天线的设计要求对整个天线进行建模,单元间的相互影响以及单元与反射板间的耦合均要考虑在内.由于反射板尺寸在十个波长左右,对天线的赋形波束设计带来一定的困难.天线的快速精确分析是实现其全局优化设计的基础和先决条件.在文献中,采用改进的矩量法对结构复杂且电尺寸较大的实用型基站天线(如图2所示)作了快速精确分析,理论结果与实验数据吻合良好.采用相同的方法,文献还对基站天线间的相互耦合作了分析,为在节约费用的情况下,合理安装和架设基站天线、避免天线之间的相互影响提供了理论依据.2.4波束赋形设计在蜂窝移动通信系统中,要求基站天线对使用相同频率的另一蜂窝辐射尽可能低的电平,而在服务区内辐射尽可能高的电平.由于人们总是希望移动用户在该区域中有相等的接收信号电平消除远近效应,这就要求天线在该服务区内有均匀的照射,即要求垂直面下半空间具有余割平方赋形功率方向图;另外还要求天线垂直面上半空间的辐射电平应尽可能地低.因此必须对基站阵列天线的方向图进行波束赋形设计(如图3所示),这是高性能基站天线设计的关键因素.赋形波束技术可以使天线均匀照射自身所在的服务区,且抑制天线向服务区以外的辐射可以提高天线增益,更重要的作用是减少向复用同一频率的另一邻近蜂窝的辐射,其中一种有效的方法是波束向下倾斜.Yamada等采用最小二乘法对多频段基站天线的垂直面方向图进行赋形设计,但设计结果要调整激励幅度,不利于工程实现.文献采用方向图相乘和局部极值优化的方法,计及反射板的影响,通过改变单元间距和馈电相位进行了波束赋形设计,在单元数较少的情况下,初步使天线垂直面方向图实现了上半空间旁瓣抑制和下半空间零点填充.对天线进行整体建模并采用先进的进化类算法对天线进行优化设计是实现波束赋形设计的最佳途径,有利于挖掘天线的潜力.因此采用全局进化算法优化设计基站天线,在便于工程实现的情况下,对其方向图进行多频段赋形是需进一步研究的问题.3采用高性能设施天线移动用户数量以每年约两倍的速率增长.为满足用户的快速增长,在用户密度较高的市区通常选择小于1?km1?km的小蜂窝半径.在市区建筑上需要安装大量的基站天线,因此迫切需要能节约架设空间且具有重量轻和低风荷等优点的天线.为满足这些要求,近年来人们研制了多频段、双波束和极化分集等高性能基站天线.3.1双频把握天线为实现基站天线的多系统共用,要求基站天线工作在两个或更多的工作频段.首先需要采用宽频带或多频段单元,而且还要考虑传输线和功分器等单元馈电结构的宽带特性,以及反射板在双频或多频段工作时的特性等多项指标的协调.日本NTTDoCoMo公司的Ebine博士等在原有的800?MHz800?ΜΗz频段的模拟移动通信基站天线的基础上开发了800?MHz800?ΜΗz模拟系统、800?MHz800?ΜΗz和1?500?MHz1?500?ΜΗz个人数字蜂窝系统(PDC)共用双频基站天线,其结构如图4所示,双频段阵元采用了双辐射器结构.目前又开发了同时覆盖IMT-2000系统的三频基站天线.Zaharis等采用线天线的形式来实现双频基站天线的设计.3.2采用6个双波束的天线在用户高密度区域,蜂窝系统中使用六扇区蜂窝结构可以提高系统容量.为同时实现分集接收功能,需要12个基站天线.为简化基站天线塔上天线的安装要求,减少天线的数目并降低系统成本,Yamada等提出了一种新型的60°双波束天线,如图5所示.为改进波束形状在反射板两侧附加了侧壁.采用6个双波束天线可实现六扇区系统,这与传统的12个天线方案相比是非常方便和有效的.3.3极化分集天线分集接收技术在基站中的应用有效地降低了多路径衰落效应,通常采用的空间分集方式需要两个或两个以上的天线,这对天线的架设提出了较高的要求,同时也提高了系统成本,而且空间分集的两个天线之间的相互耦合也会引起天线方向图的畸变.空间分集的缺点可以用极化分集来弥补,极化分集的两个天线可以位于同一个物理位置,要求的空间比空间分集小,这样简化了天线的安装要求且降低了成本,同时对解决极化失配问题有一定的作用.日本IDO公司开发了适用CDMA基站和PDC基站的极化分集天线.4天线阵列技术的应用由于天线阵可以实现单个天线所无法实现的复杂功能,具有更大的灵活性和更高的信号容量并且显著提高了系统的性能,因此阵列天线在移动通信基站中得到广泛的应用.典型的应用是采用阵列实现较高的增益和适合于服务区形状的赋形波束.而由两个或两个以上的天线组成分集接收天线系统则可以有效降低传播中的多路径衰落效应,在现有系统中得到广泛的应用.天线阵列与其他技术的相互结合可以充分发挥其优势,这也是高性能基站天线设计的方向和热点课题之一.天线阵和数字信号处理相结合的智能天线技术近年来取得了一定的进展,把它应用于蜂窝移动通信基站中,可以有效改善移动通信系统综合性能.4.1智能天线的智能性智能天线是基于自适应天线阵原理,利用天线阵的数字波束形成产生多个独立的波束,并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户,达到提高信号干扰噪声比和增加系统容量的目的.图6是单个用户情况下的智能天线原理结构图.由图可以看出,智能天线系统由天线阵列、模数转换、波束形成网络以及自适应数字信号处理器组成.智能天线的智能性主要体现在天线波束在一定范围内能够根据用户的需要和天线传播环境的改变而自适应地进行调整,是由以数字信号处理和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器和以动态自适应加权网络构成的自适应波束形成网络来完成的.但实际的智能天线则需要处理多个用户的情况,其结构图十分复杂.与其他阵列天线系统一样,智能天线中阵列单元间的相互耦合也会使其辐射方向图失真.在阵列的数字信号处理中考虑补偿天线的相互耦合影响是值得关注的.Steyskal和Herd提出了一种有效的耦合信号补偿方法,它利用阵列天线测量的单元激励方向图对均匀线阵导出了一种基于傅里叶变换的闭式误差矩阵估计算法,但这是基于单模耦合假设的,而实际中的耦合信号会存在很多模式.4.2软件天线的概念然而任何自适应算法都有其优缺点,不存在一种适于任何通信环境的通用算法.实际上,即使存在这么一种算法,鉴于信号处理的通用性,要求系统有更多的通道,这样阵列单元数目会增加,相应的信号处理硬件变得极为复杂,且处理时间会很长,使得系统成本大大提高且实时性很难保证.为增强天线对通信环境的适应性,日本ATR研究人员Karasawa等在智能天线原理的基础上提出了软件天线的概念.软件天线采用阵列天线以及信号处理技术来克服单个算法的局限性,从而能实时适应环境的变化.它可通过软件(算法)和硬件(逻辑电路)的重构来实现,根据用户所处环境的不同,确定影响系统的主要因素,利用软件的方法选择适合不同环境的算法,然后利用硬件实现对天线的实时配置,完成智能天线处理功能.尽管软件天线仍处于概念研究阶段,但可以预计,它会在不久的将来对未来移动通信技术起到积极的推动作用.5天线关键技术研究笔者从系统设计的观点,阐述了现代蜂窝移动通信中高性能基站天线设计的关键问题.综合考虑传播、系统