首先介紹了近年來智能天線的大體研究現(xiàn)狀,對(duì)在該領(lǐng)域開展研究較早且較成熟的日本和歐洲進(jìn)行了重點(diǎn)介紹。隨后從模擬與數(shù)字智能天線、單RF通道與多RF通道智能天線以及普通智能天線與M IMO三個(gè)角度,結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)方案對(duì)不同技術(shù)類型各自的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。最后,討論了智能天線應(yīng)用于移動(dòng)通信的優(yōu)勢(shì),著重介紹了日本ATR研究所研制的可用于移動(dòng)終端的ESPAR天線。

引言
　　智能天線是能通過調(diào)整接收或發(fā)射特性來增強(qiáng)天線性能的一種天線。通信系統(tǒng)中,采用智能天線的目的主要有以下3點(diǎn): ①通過提供最佳增益來增強(qiáng)接收信號(hào); ②通過控制天線零點(diǎn)來抑制干擾; ③利用空間信息增大信道容量。

　　最早的智能天線是出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代的旁瓣對(duì)消天線,這種天線包含一個(gè)用于接收有用信號(hào)的高增益天線和一個(gè)或幾個(gè)用于抑制旁瓣的低增益、寬波束天線,如圖1所示。將幾個(gè)這樣的環(huán)路組合成陣列天線,就構(gòu)成自適應(yīng)天線。

　　隨著陣列信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,與智能天線有關(guān)的術(shù)語也越來越多。智能天線( intelligent antenna) 、相控陣(phased arrays) 、空分多址( SDMA) 、空間處理( spatial p rocessing) 、數(shù)字波束形成( digitalbeamforming) 、自適應(yīng)天線系統(tǒng)( adap tive antennasystem)等不同的說法,反映了智能天線系統(tǒng)技術(shù)的多個(gè)不同的方面[ 3 ] 。但總的來說,智能天線主要包含兩類:開關(guān)波束系統(tǒng)和自適應(yīng)陣列系統(tǒng)。兩者中,只有自適應(yīng)陣列系統(tǒng)能夠在為有用信號(hào)提供最佳增益的同時(shí),識(shí)別、跟蹤和最小化干擾信號(hào)。

智能天線研究的發(fā)展現(xiàn)狀
　　早期智能天線的研究主要集中在軍事領(lǐng)域,尤其是雷達(dá)領(lǐng)域,目的是在復(fù)雜的電磁環(huán)境中有效地識(shí)別和跟蹤目標(biāo)。隨后,智能天線在信道擴(kuò)容和提高通信質(zhì)量等方面具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)吸引了眾多的專家學(xué)者,日本、歐洲和美國的許多研究機(jī)構(gòu)都相繼開展了針對(duì)智能天線的眾多研究計(jì)劃,這也為智能天線的迅猛發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

日本的智能天線發(fā)展
　　日本最早開始智能天線的研究是在20世紀(jì)70年代。到1987年,研究人員已經(jīng)指出基于最小均方誤差(MMSE)準(zhǔn)則的自適應(yīng)天線能夠減小多徑衰落 ,因而可以用于高速移動(dòng)通信應(yīng)用中。自此,日本學(xué)者展開了大量的針對(duì)移動(dòng)通信環(huán)境的智能天線研究,包括自適應(yīng)處理算法、數(shù)字波束形成方案、WCDMA中的多址干擾抑制方法,以及基站和移動(dòng)終端上分別適用的智能天線類型等等。其中,較早的有日本郵政電信部通信研究實(shí)驗(yàn)室的智能天線系統(tǒng)和NTT - DoCoMo 公司研制的用于3G的UMTSW - CDMA體制的智能天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。前者工作于1. 5 GHz,針對(duì)TDMA方式采用GMSK調(diào)制,數(shù)碼率可達(dá)256 kbp s。系統(tǒng)利用4陣元天線進(jìn)行多徑時(shí)延對(duì)消以消除多徑衰落,權(quán)值更新采用恒模算法(CMA) 。在東京進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明自適應(yīng)天線技術(shù)在無線高速數(shù)據(jù)傳輸和存在選擇衰落的情況下仍能很好地對(duì)消多徑時(shí)延信號(hào)。后者則采用2D- RAKE接收機(jī)結(jié)合最小均方誤差(MMSE)自適應(yīng)波束形成算法進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有3個(gè)小區(qū)基站用以評(píng)估切換和其他的網(wǎng)絡(luò)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,就平均誤碼率(BER)而言,智能天線比空間分集有明顯改善。[nextpage]

　　此外,日本ATR光電通信研究所也研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長的16陣元平面方陣,射頻工作頻率是1. 545 GHz。陣元組件接收信號(hào)在經(jīng)過低噪聲放大、下變頻和模數(shù)變換后,進(jìn)行快速傅氏變換( FFT)處理,形成正交波束后,分別采用恒模算法(CMA)或最大比值合并分集(MRC)算法。野外移動(dòng)試驗(yàn)確認(rèn)了采用恒模算法的多波束天線功能。理論分析及實(shí)驗(yàn)證明使用最大比值合并算法可以提高多波束天線在波束交叉部分的增益。

　　在此基礎(chǔ)上,ATR的研究人員提出了如圖2所示的基于智能天線的軟件天線概念:根據(jù)用戶所處環(huán)境不同,影響系統(tǒng)性能的主要因素(如噪聲、同信道干擾或符號(hào)間干擾)也不同,利用軟件方法實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境應(yīng)用不同算法,比如當(dāng)噪聲是主要因素時(shí),則使用多波束最大比合并(MRC)算法,而當(dāng)同信道干擾是主要因素時(shí)則使用多波束恒模算法(CMA) ,以此提供算法分集,利用FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)天線配置,完成智能處理。

　　隨后,ATR研究所又針對(duì)移動(dòng)通信中移動(dòng)終端上適用的智能天線形式進(jìn)行了大量探討,最終提出了單端口電激勵(lì)的ESPAR天線。該天線巧妙地利用了各陣元之間的耦合,在天線處實(shí)現(xiàn)了空間濾波。本文將在第4節(jié)討論該天線。

歐洲的智能天線發(fā)展
　　歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE (Research intoAdvanced Communication in Europe)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究, 稱為TSUNAM I ( TheTechnology in Smart Antennas for Universal AdvancedMobile Infrastructure) ,由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。

　　項(xiàng)目組在DECT基站基礎(chǔ)上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?于1995年初開始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。天線由8個(gè)陣元組成,射頻工作頻率為1. 89 GHz,陣元間距可調(diào),陣元分布分別有直線型、圓環(huán)型和平面型3 種形式。模型用數(shù)字波束成形的方法實(shí)現(xiàn)智能天線,采用ERA技術(shù)有限公司的專用ASIC芯片DBF1108完成波束形成,使用TMS320C40芯片作為中央控制。研究方案包括波束空間處理方式和組件空間處理方式。組件處理方式天線是收發(fā)全向類型,采用TDD雙工。系統(tǒng)評(píng)估了識(shí)別信號(hào)到達(dá)方向的基于MU-SIC算法的空間參考自適應(yīng)波束, 和基于NLMS(Normalized LeastMean Squares)算法和RLS(Recursive Least Square)算法的時(shí)間參考自適應(yīng)波束。

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了智能天線的功能,在2個(gè)用戶4個(gè)空間信道(包括上行和下行鏈路)下,試驗(yàn)系統(tǒng)的誤碼率(BER)優(yōu)于10- 3。實(shí)驗(yàn)評(píng)測(cè)了采用MU-SIC算法判別用戶信號(hào)方向的能力,同時(shí),通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,表明圓環(huán)和平面天線適于室內(nèi)通信環(huán)境使用,而市區(qū)環(huán)境則更適合采用簡(jiǎn)單的直線陣。

　　此后,歐洲通信委員會(huì)(CEC)又在ACTS (Advanced Communication Technologies and Services) 計(jì)劃中繼續(xù)進(jìn)行了第二階段智能天線技術(shù)研究,即TSUNAM I Ⅱ,旨在考察第三代移動(dòng)通信中采用智能天線系統(tǒng)的可行性和具體優(yōu)勢(shì) 。項(xiàng)目組利用Orange PCS公司位于英國Bristrol的第二代DCS1800測(cè)試網(wǎng)絡(luò)作為搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ),在1998年1月到5月間進(jìn)行了大量宏蜂窩和微蜂窩的實(shí)驗(yàn),用以驗(yàn)證智能天線系統(tǒng)在商用網(wǎng)絡(luò)中的工作情況?；咎幉坏O(shè)置了一套收發(fā)兩用的智能天線系統(tǒng),還保留了一套標(biāo)準(zhǔn)的扇型天線系統(tǒng)。通過對(duì)兩套系統(tǒng)收發(fā)性能的比較,證實(shí)了實(shí)際的智能天線方向圖與理論方向圖的一致性,實(shí)際所能達(dá)到的干擾抑制能力與理想的干擾抑制能力相差通常在2 dB 以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也說明,智能天線系統(tǒng)在郊區(qū)宏蜂窩環(huán)境下的干擾抑制水平比較理想,而在市區(qū)微蜂窩環(huán)境下的干擾抑制能力則與環(huán)境雜波有關(guān)。[nextpage]

其他國家的智能天線發(fā)展
　　ArrayComm公司和中國郵電電信科學(xué)研究院信威公司也研制出應(yīng)用于無線本地環(huán)路(WLL)的智能天線系統(tǒng)。該產(chǎn)品采用可變陣元配置,有12元和4元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用。在日本進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明,在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高4倍。此外, ArrayComm公司還研制出用于GSM、PHS和無線本地環(huán)路的IntelliCell天線,目前,該天線已經(jīng)在全球多個(gè)國家投入實(shí)用。

　　除ArrayComm以外,美國Metawave公司、Raython公司以及瑞典Ericsson公司都有各自的智能天線產(chǎn)品,這些智能天線系統(tǒng)都是針對(duì)移動(dòng)通信開發(fā)的,用于GSM、TDMA或者CDMA。

　　由我國提出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)之一——TD - SCDMA之中就明確規(guī)定要采用智能天線。大唐電信與西安海天天線合作開發(fā)的“TD -SCDMA移動(dòng)通信智能天線系統(tǒng)”項(xiàng)目是西安市2002年重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一,項(xiàng)目總投資14 940 萬元,正在取得階段性成果,多套初步成型的天線產(chǎn)品正在緊鑼密鼓的測(cè)試之中。中山宇通通信設(shè)備有限公司也已經(jīng)研制出一系列適用于TD - SCDMA 或SCDMA的定向和全向智能天線,其定向TD - SCDMA天線陣已經(jīng)進(jìn)入國家MTnet第二階段測(cè)試網(wǎng)測(cè)試,結(jié)果表明,該天線陣性能卓越,完全符合TD -SCDMA系統(tǒng)要求。在WCDMA和CDMA2000標(biāo)準(zhǔn)中也已經(jīng)將智能天線的應(yīng)用作為下一階段的發(fā)展目標(biāo),目前中興、華為已經(jīng)證實(shí)了在下一代WCDMAR5 /R6標(biāo)準(zhǔn)的套片開發(fā)中將全面支持智能天線技術(shù)。

從多角度看智能天線技術(shù)
　　隨著智能天線技術(shù)的日趨成熟,其技術(shù)種類也開始分化,以下我們將從各種不同的技術(shù)角度來進(jìn)行討論。

模擬和數(shù)字智能天線技術(shù)
　　首先,從大的技術(shù)類別來講,智能天線技術(shù)可分為模擬智能天線技術(shù)和數(shù)字智能天線技術(shù)。通常我們所講的智能天線都是與軟件無線電聯(lián)系在一起的數(shù)字智能天線技術(shù),而實(shí)際上早期的相控陣天線與較新的ESPAR天線都采用了模擬智能天線技術(shù)。

　　模擬智能天線技術(shù)是指那些無需對(duì)射頻或變至中頻或基帶的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理,而直接對(duì)接收到的模擬信號(hào)操作,實(shí)現(xiàn)智能天線的功用。這類天線通常比較簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),成本也較低。但由于沒有將模擬信號(hào)數(shù)字化,因而很多數(shù)字域的信號(hào)處理方法都無用武之地,限制了信號(hào)處理的可能手段。

　　數(shù)字智能天線技術(shù)則指在射頻或中頻將模擬信號(hào)數(shù)字化,然后利用豐富的數(shù)字信號(hào)處理理論和發(fā)達(dá)的集成電路技術(shù)造就的DSP、FPGA或ASIC實(shí)現(xiàn)快速的數(shù)字波束形成(DigitalBeam Forming, DBF) 。

　　常用的波束形成算法主要有2種:非盲波束形成算法和盲波束形成算法。非盲波束形成算法通過發(fā)送參考信號(hào)或訓(xùn)練序列來確定信道響應(yīng),然后根據(jù)一定的準(zhǔn)則調(diào)整權(quán)值,常用的準(zhǔn)則有MMSE (最小均方誤差) 、LMS (最小均方) 和RLS (遞歸最小二乘)等。而盲波束形成算法又分為2種,一種是依賴于波達(dá)方向(DOA)估計(jì)的盲波束形成算法,通過對(duì)接收到的陣列矢量信號(hào)的協(xié)方差矩陣進(jìn)行分析,從而估計(jì)期望信源的方向。如MUSIC (Multip le Signal Classification)法和ESPR IT( Estimating Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)法,兩者均屬于特征結(jié)構(gòu)的子空間法,利用在陣元個(gè)數(shù)超過信源個(gè)數(shù)時(shí),陣列數(shù)據(jù)的信號(hào)分量所在的低秩子空間能夠唯一確定信號(hào)的波達(dá)方向的原理,通過奇異值分解精確確定波達(dá)方向。

　　另一種則是利用信道的信號(hào)處理模型和/或信號(hào)的性質(zhì)估計(jì)期望信號(hào)方向向量的盲波束形成算法,如利用通信信號(hào)恒模特性的恒模算法和利用信號(hào)循環(huán)平穩(wěn)性的盲處理算法。前者要求確知天線的陣列流形,而且其應(yīng)用效果與信道條件關(guān)系很大,通常要求每個(gè)信號(hào)只能有幾個(gè)清晰的傳輸路徑;后者則與信道的空間性質(zhì)或天線的陣列校正無關(guān)。[nextpage]

多RF通道技術(shù)和單RF通道技術(shù)
　　現(xiàn)代陣列信號(hào)處理多發(fā)生在中頻( IF)或基帶,因此天線和IF或基帶之間信號(hào)幅度和相位的傳遞就要求十分準(zhǔn)確。于是傳統(tǒng)陣列接收機(jī)都要求為每一個(gè)天線單元分配一個(gè)單獨(dú)的射頻(RF)通道,這就是多RF通道技術(shù)。采用多RF通道技術(shù)構(gòu)造的智能天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)雖然看似簡(jiǎn)單明了,但隨著智能天線實(shí)用化需求的呼聲越來越高,這種技術(shù)帶來的問題也日益明顯:
(1) 一個(gè)N單元的天線陣需要N個(gè)RF通道,因此,硬件復(fù)雜度和功耗大約是單天線系統(tǒng)的N倍;
(2) 系統(tǒng)成本高;
(3) 多天線單元加多RF通道必然需要多饋線,也必然增大RF電路的復(fù)雜度,從而更容易引入噪聲;
(4) 難以實(shí)現(xiàn)小型化和集成。

　　而這些缺陷正是智能天線系統(tǒng)實(shí)用化過程中存在的最大障礙。為了解決這些問題,縮減RF通道個(gè)數(shù)的技術(shù)開始展現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。

　　本文將詳細(xì)介紹的ESPAR天線采用單有源陣子和多無源陣子結(jié)合的方式構(gòu)成陣列天線,每個(gè)無源陣子下接一個(gè)可調(diào)電阻。改變每個(gè)陣子下接電阻的值就可改變每個(gè)天線陣子上的信號(hào)相位,從而利用天線陣子之間的互耦改變空間混合信號(hào),也就是改變天線方向圖。由于N 個(gè)陣元中,只有中心陣元是有源陣子,所以只需要一個(gè)RF通道。

　　日本橫濱國立大學(xué)工程系的師生們則提出了“跳空”( space hopp ing)這一概念,即對(duì)陣列天線中N個(gè)陣元接收到的信號(hào)進(jìn)行不同的時(shí)間延遲Td ,然后根據(jù)延遲時(shí)間的由短到長的順序,對(duì)每一路天線陣元的接收信號(hào)順序切換,以保證N路接收信號(hào)經(jīng)過切換控制電路后連續(xù)進(jìn)入系統(tǒng)唯一的RF通道,如圖3所示。陣列中各天線單元等距排列,距離在λ/4到λ/2 之間。如果陣元切換的速度高于接收信號(hào)的符號(hào)速率, 就叫做“快跳空”( fast spacehopp ing) , 反之, 則叫做“慢跳空”( slow spacehopp ing) 。設(shè)每個(gè)陣元切換所需時(shí)間為t,則“快跳空”時(shí),所有N 個(gè)天線陣元全部接通一次所需的時(shí)間T ( T =N ×t)恰好等于接收信號(hào)的符號(hào)周期Ts。這樣,第k個(gè)天線單元接收信號(hào)后需要的延遲時(shí)間Td = k ×Ts/N。天線單元切換電路所需的定時(shí)信號(hào)由早先捕獲的符號(hào)定時(shí)信息控制,以保證順序進(jìn)入RF通道的各天線陣元的接收信號(hào)是同一時(shí)刻的接收信號(hào),從而保證數(shù)字信號(hào)處理單元能夠正常完成數(shù)字波束形成。

　　跳空”方法在實(shí)施之前,需要系統(tǒng)先獲得接收信號(hào)的符號(hào)定時(shí)信息,而且,由于該系統(tǒng)中并沒有考慮將接收系統(tǒng)的時(shí)鐘與發(fā)射時(shí)鐘同步,所以每隔一段時(shí)間之后,接收系統(tǒng)還必須暫?！疤铡辈僮?再 次捕捉接收信號(hào)的符號(hào)定時(shí)信息,以保證接下來的“跳空”能夠正常進(jìn)行。整個(gè)符號(hào)定時(shí)信息的捕獲過程見圖4。

　　實(shí)驗(yàn)證明,采用這種方案的單RF通道陣列天線系統(tǒng)的誤碼率可以接近傳統(tǒng)的多RF通道方案。但這種方案的局限性是它無法保留所有原始信號(hào)的信息,因而只適用于短距瑞利多徑衰落環(huán)境,并且天線上需要復(fù)雜的定時(shí)控制單元和可變延遲線,實(shí)際中并不容易實(shí)現(xiàn)。[nextpage]

　　此外,另一種單RF通道的智能天線接收機(jī)陣列采用一種本地陣元的空間復(fù)用方案( SpatialMultip lexing of Local Elements, SM ILE) ,利用可高速開關(guān)的P IN二極管,以高于信號(hào)帶寬的速度順序開關(guān)每一個(gè)天線陣元。這一過程等效于利用脈沖序列對(duì)天線接收到的已調(diào)載波進(jìn)行采樣。然后,再通過一種類似通信中TDMA 的方式將不同陣元所得的空間采樣信號(hào)復(fù)接起來,通過單饋線輸出,進(jìn)入系統(tǒng)唯一的射頻電路通道。這一組合信號(hào)經(jīng)過放大和下變頻,在IF或基帶被解復(fù),還原為每個(gè)天線單元的原始信號(hào)。接著,就可以對(duì)這個(gè)還原后的陣列信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字域的處理,實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束形成。以4單元天線陣為例的系統(tǒng)框圖見圖5。

　　根據(jù)奈奎斯特采樣定律,解復(fù)后的陣列信號(hào)經(jīng)過低通濾波之后,相對(duì)于天線處的原始信號(hào),不會(huì)丟失信息。這種單RF通道智能天線不但大大降低了RF電路的復(fù)雜度,也降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗并減小了系統(tǒng)的電路體積,從而推進(jìn)了智能天線陣的實(shí)用化進(jìn)程。但在微波網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行采樣仍然存在問題,因?yàn)橄到y(tǒng)在對(duì)不同的天線陣元進(jìn)行切換時(shí),接收機(jī)和天線之間的阻抗匹配特性會(huì)發(fā)生變化,所以,饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須十分仔細(xì)。

普通智能天線技術(shù)和多入多出(MIMO )技術(shù)
　　普通智能天線技術(shù)指的就是前文談到的諸多智能天線技術(shù),這些技術(shù)有一個(gè)共同的特點(diǎn),那就是只在通信系統(tǒng)的一端進(jìn)行智能天線設(shè)計(jì),另一端則并未予以考慮。這樣的智能天線系統(tǒng)利用空分復(fù)用原理,對(duì)時(shí)分復(fù)用和頻分復(fù)用是一種十分有效的補(bǔ)充,大大提高了信道容量。

　　然而隨后出現(xiàn)的MIMO (多入多出)技術(shù)則又更進(jìn)一步,通過增加空間維數(shù)來增大系統(tǒng)容量。MIMO智能天線在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或天線陣) ,見圖6。假設(shè)發(fā)端有N個(gè)天線單元,收端有M個(gè)天線單元。信息流經(jīng)過空時(shí)編碼形成N個(gè)信息子流,再經(jīng)由N個(gè)發(fā)射天線發(fā)射出去。接收端M個(gè)接收天線同時(shí)接收這N個(gè)信息子流,然后利用空時(shí)解碼將這N個(gè)信息子流分離開來。M IMO的特點(diǎn)就在于,通過先進(jìn)的空時(shí)編、解碼處理,可實(shí)現(xiàn)各發(fā)射天線和接收天線之間的通道響應(yīng)相互獨(dú)立。于是,多發(fā)射天線和多接收天線之間就建立起多個(gè)共用同一頻帶的并行的空間通道,每個(gè)通道可以獨(dú)立地傳輸信息。因此,多入多出智能天線能夠在不增加帶寬的情況下,成倍地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。

　　假設(shè)收發(fā)天線之間的信道均為相互獨(dú)立的瑞利衰落信道,并假設(shè)M、N均較大,那么信道容量可近似為C = [min (M,N) ) ]B log2 (ρ/2) 。其中,B為信號(hào)帶寬,ρ為接收端的平均信噪比。由該式可以看出,當(dāng)功率和帶寬固定時(shí),M IMO系統(tǒng)的最大容量隨較少一端天線數(shù)的增加而線性增加。而同樣條件下的普通智能天線系統(tǒng)的容量,則只隨天線個(gè)數(shù)的對(duì)數(shù)增加。比較而言,M IMO技術(shù)在增大系統(tǒng)容量方面的潛力就更加明顯。

應(yīng)用于移動(dòng)通信的智能天線
　　隨著近期移動(dòng)通信的飛速發(fā)展和普及,用戶數(shù)量急劇膨脹,傳統(tǒng)的時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用和碼分復(fù)用已經(jīng)漸漸難以滿足需要,現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)急待擴(kuò)充容量,于是利用空分復(fù)用( SDM)技術(shù)的智能天線便成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。[nextpage]

　　將智能天線用于移動(dòng)通信可帶來如下好處 :
(1) 增大信道容量———通過空分復(fù)用來補(bǔ)償時(shí)分、頻分和碼分的仍不能滿足的對(duì)信道容量的需求;
(2) 提高頻譜效率;
(3) 擴(kuò)大基站覆蓋范圍;
(4) 激勵(lì)多波束以便同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo);
(5) 可對(duì)孔徑抖動(dòng)進(jìn)行電補(bǔ)償;
(6) 減小時(shí)延擴(kuò)展;
(7) 減小多徑效應(yīng)的影響;
(8) 降低鄰道干擾———智能天線系統(tǒng)應(yīng)用于移動(dòng)通信時(shí)最重要的性能之一就是消除鄰道干擾。鄰道干擾是由使用同一組信道頻率的通信設(shè)備同時(shí)發(fā)射信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的。而通過直接將波束對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)信號(hào),將波束零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)其他接收機(jī),這樣就能降低發(fā)送模式下的鄰道干擾。在接收模式下,只要已知信號(hào)源的方位,就可以使用干擾抵消策略來降低鄰道干擾;
(9) 降低系統(tǒng)復(fù)雜度;
(10) 降低誤碼率;
(11) 降低通話中途斷線的可能性。

根據(jù)應(yīng)用環(huán)境造成的增益、波束寬度和天線尺寸要求的不同,移動(dòng)通信中的智能天線主要分為基站用智能天線和移動(dòng)終端用智能天線。

基站用智能天線
　　以往的基站天線一般采用固定波束天線,天線方向圖為扇形。當(dāng)移動(dòng)終端位于波束邊緣時(shí),就比較容易造成斷線。而基站用智能天線多采用多波束天線,這樣的天線以多個(gè)高增益窄波束動(dòng)態(tài)地跟蹤多個(gè)期望用戶,在接收模式下抑制來自窄波束之外的信號(hào),在發(fā)射模式下能使期望用戶接收的信號(hào)功率最大,同時(shí)使窄波束照射范圍以外的非期望用戶受到的干擾最小,甚至為零。

移動(dòng)終端用智能天線
　　雖然近幾年國內(nèi)外的智能天線研究都十分火熱,但絕大多數(shù)的討論是針對(duì)基站用智能天線進(jìn)行的。因?yàn)榛居弥悄芴炀€安裝在移動(dòng)通信的基站上,其體積受到的限制比較小,因而天線的一些機(jī)械參數(shù),例如陣元個(gè)數(shù)、陣形安排、陣元間距及陣元尺寸等,都可以在較寬松的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì),較易使天線達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。而移動(dòng)終端用智能天線的設(shè)計(jì)則相對(duì)非常困難。首先,手機(jī)的便攜性限制了其體積,也就同時(shí)限制了天線的許多機(jī)械參數(shù)———陣元個(gè)數(shù)不能過多,陣元間距不能過大,陣形也受到一定限制。這就同時(shí)限制了天線的增益、指向性等性能。其次,智能天線的陣列性質(zhì)使得天線后的RF處理電路很難簡(jiǎn)化,因?yàn)橥ǔ５年嚵刑炀€陣元個(gè)數(shù)就決定了RF電路的通道個(gè)數(shù),即有N個(gè)陣元就需要N套相同的射頻處理電路,而各射頻通路的平衡性也很難實(shí)現(xiàn),從而更加增大了中頻和基帶處理的難度。

　　國內(nèi)外針對(duì)移動(dòng)終端用智能天線所作的研究中,較突出的是日本ATR研究所研究的電激勵(lì)單端口ESPAR天線,該天線巧妙利用各陣元之間的耦合,在天線上實(shí)現(xiàn)空間濾波,簡(jiǎn)化了RF電路。

　　ESPAR天線結(jié)構(gòu)如圖7所示,天線為一個(gè)7單元λ/4單極陣子的六邊形陣,其中只有中心陣元是有源陣子,其他6個(gè)陣元均為無源陣子,分別下接一個(gè)可變電阻,對(duì)稱分布在以中心陣子為圓心、半徑為λ/4的圓周上。天線的作用原理就是通過一種自適應(yīng)算法改變每個(gè)陣元下可變電阻的阻值,從而改變天線的方向圖,形成對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)的波束和對(duì)準(zhǔn)干擾的零點(diǎn)。

　　ESPAR天線由于只有一個(gè)有源陣子,因而只需一個(gè)RF端口,這大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)所需的RF電路。同時(shí),該天線采用了模擬方法實(shí)現(xiàn)波束形成,也極大地降低了天線系統(tǒng)的成本,為將其應(yīng)用于移動(dòng)通信的移動(dòng)終端提供了保障。

　　但也正是由于ESPAR天線在天線處就利用耦合實(shí)現(xiàn)了空間濾波,中頻接收到的只是單RF通道傳送下來的信息,每個(gè)單元天線接收下來的信號(hào)經(jīng)過混合之后,其幅度和相位信息均被丟失,故無法利用先進(jìn)的矢量信號(hào)處理辦法。

結(jié)語
　　隨著技術(shù)的發(fā)展,智能天線已經(jīng)從理論走向了實(shí)用。除了前文談到的適用于移動(dòng)通信的智能天線產(chǎn)品外,智能天線在寬帶無線網(wǎng)絡(luò)中也開始一展所長。美國Turbowave研制的用于Wi - Fi的右旋圓極化智能天線最大增益可達(dá)16 dB i;專門研究將智能天線集成入IC的Motia公司也推出了適用于Wi- Fi的Javelin芯片,該芯片將智能天線技術(shù)集成到2. 4 GHz無線LAN卡和接入點(diǎn),摩托羅拉公司已宣布將采用Motia公司的智能天線技術(shù)擴(kuò)大未來W i -Fi 設(shè)備的覆蓋范圍, 提高信號(hào)強(qiáng)度; FIDEL ITYCOMTECH公司也推出了其專利的適用于天線局域網(wǎng)(WLAN)的智能天線產(chǎn)品,并稱其能在幾毫秒時(shí)間內(nèi)動(dòng)態(tài)改變天線方向圖; Vivato公司也在其802.11bWi - Fi交換機(jī)中使用了智能天線,以實(shí)現(xiàn)較大的室內(nèi)和室外覆蓋范圍。

　　國內(nèi)外對(duì)智能天線的研究方興未艾,新的智能天線產(chǎn)品層出不窮,本文不可能一一列舉。但智能天線技術(shù)的發(fā)展步伐日益加快,應(yīng)用前景日益廣闊卻是不爭(zhēng)的事實(shí)。相信不久的將來,不論是模擬或是數(shù)字智能天線,單RF通道或是多RF通道智能天線,普通智能天線或是多入多出智能天線,都能在市場(chǎng)上找到屬于它們自己的舞臺(tái),讓我們拭目以待。