移动通信中的天线技术
摘 要：介绍了移动通信中天线的新技术，阐述了全向高增益天线、多频段天线、极化分集天线和智能天线的实现技术以及在移动通信中的应用。
关键词：移动通信；基站天线；全向天线；智能天线
随着微电子技术的迅猛发展，近20年来移动通信从第一代的AMPS，TACS，NMT等模拟系统，第二代的GSM,IS-95等数字系统，发展到现在即将问世的IMT2000，UMTS等第三代移动通信系统［1］。通信系统的容量越来越大，语音质量也越来越好，提供的服务也越来越多。移动通信对人们的生活和工作也起着越来越大的作用。
移动通信系统在功能、容量、质量和服务业务上不断地升级，对通信系统的天线提出了越来越高的性能指标要求；同时，天线系统通常工作在复杂的移动传播环境下，电波在空中传播时将受到多方面的衰落，信道受到地形、温度、湿度等环境因素的影响。这些方面都会对通信质量产生不利的影响。因此，采取了高增益全向天线，分集天线技术手段和方法来改善通信质量；为了共享现有的系统资源，与现有系统共用相同的服务区域，从系统成本和系统干扰等方面考虑，要求研制多个系统共用的宽频带或多频带、智能化天线系统。
基于现代通信技术的实际，本文探讨了当代移动通信天线中全向天线的高增益技术、宽频带和多频带技术、分集技术和智能天线技术及其进展，为天线系统的研制和基站的选型提供便利。
1 全向天线的高增益
在用户数量不太多的偏远郊区，为了节省成本通常使用水平方向上为全向天线的形式，覆盖周围的地区。然而， 由于这些地区的蜂窝一般划分得比较大（其区域半径为1～5 km），为了保证通信质量，这就要求天线的增益相对比较高，通常为10～15 dBi。
要实现这样高的增益，就必须使用阵列天线的形式，采用等幅、同相的激励方式。然而，通常处于结构因素的考虑，等幅馈电的天线形式在全向天线中极少见到。由于串联馈电的形式其增益又受到一定的限制。因此，一般大都采用并联和串联相结合的馈电方法，以实现全向天线的高增益。
一种实用的高增益全向天线如图1（a）所示，这种天线被称为同轴交叉共线天线（COCO Antenna，CoaxialCollinear Antenna）［1～3］。这种天线是由一定长度的同轴线节组成，其中每一节同轴线单元的长度为λ／2。该同轴线节既是一个天线单元，又是传输线。当激励电压经过λ／2时，将产生180°的相差。经过内外导体交叉连接恰好在同轴线节的外导体上产生同相的表面电流，因而下一个天线单元的输入电压与此单元的输入电压同相，由此整个天线上的所有单元具有等幅、同相的激励电压。采用在天线底部用同轴线直接馈电时，当天线的单元数为10时，其方向性系数可达到12．0 dBi；当天线的单元数为20时，其方向性系数可达到14．2 dBi［3］。而且随着同轴线节段数的增加，天线的增益逐渐增大；当天线的段数增加到一定数量时，天线的增益将达到“饱和”值——14．2 dBi。可以看到，由于辐射损耗的影响使得这种天线的增益要低于真正等幅、同相馈电时的天线增益。而且，天线的增益随频率的变化不太剧烈，因此采用合适的馈电网络，该天线可以满足宽频带工作。由于结构上的对称性，使得这种天线具有理想的全向辐射特性。同时，由于结构简单，作为基站用的全向天线具有一定的价格优势和性能优势。
图1（b）为另一种全向天线——同轴开槽天线［3～4］。其基本原理也是通过共线排阵实现全向、高增益天线。开槽宽度为0．2 cm，开槽的间距略小于λ，在频率为980 MHz，当单元数为10时，采用同轴线从天线的底部馈电，其增益可达到9．5 dBi，其主瓣偏离水平方向约12°左右。
2宽频带和多频带技术
移动用户的显著增长，使得没有更多地方来放置新的基站了，这就要求基站天线工作在2个或更多的工作频段，要求天线单元具有宽频带和多频带的特性。通常采用的方法是在主单元（其谐振频率为f1）的附近加一个谐振频率为f2（一般有f2＞f1）的天线单元作为寄生单元，这样就形成了2个谐振回路，具有2个谐振频率［5］。当这2个频率适当接近时，就形成了频带或多频段天线。文献［6］中通过单个辐射单元来实现微带天线的宽频带，其结构尺寸如图2所示。微带单元使用同轴探针馈电的空气微带天线单元，地板做成U形槽的形式。微带片在馈电点处有一张角α与水平地板之间距离为h，可将其视为空气介质层。通过调节张角α，h及两垂直地板的高度，可以形成2个带宽较宽的谐振回路。实际测试表明当h＝40 mm，α＝170°，第一地板高h1＝50 mm，第二地板高h2＝70 mm，微带片的长宽分别为200 mm和100 mm时，天线的工作频率在593～981 MHz和1 662～2 237 MHz上驻波系数小于1．5。该天线的增益在GSM（900 MHz）频段上增益接近5 dBi，在DCS（1 710～1 880 MHz）和PCS（1 850～1 990 MHz）频段上增益大于7．5 dBi。可见这种天线具有良好的宽频带和多频段的特性。另一种实现双频、多频带天线的方法就是附加阻抗匹配网络［7～9］，因为天线的方向图带宽通常是阻抗带宽的好几倍，所以通过在馈电网络加阻抗匹配网络 来展宽天线的阻抗的频带就等于展宽了天线的工作带宽。图3示意的是一个三频带天线单元［10］，工作在900 MHz，1 500 MHz和2 000 MHz三个频段上。在900～1500 MHz双频天线单元的上部放置一寄生单元改善其在2 GHz处的阻抗特性时其形成一个谐振回路，调节在单元两端的短路匹配支节减小天线单元的空间，能改善在900 MHz附近的阻抗特性以使其很好的覆盖3个工作频段，实际测试得到在810～958 MHz，1 429～1 501 MHz及1 920～2 170 MHz上其驻波系数小于2，水平波束宽度为120°。
3分集接收的天线技术
人们使用手机时并不是将手机垂直放在耳边使用而是有一定的倾斜角度，根据统计数据显示［11］倾斜角度通常为60°。这将引起垂直方向辐射6 dB、水平方向5 dB的衰减。为了保证通信质量分集接收技术得到了应用和发展。分集接收技术可以有效地降低多路径衰落效应，通常采用的空间分集方式需要2个或2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2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2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，且降低了系统成本。
图4是一种常用的极化分集天线，其单元由对称阵子天线对单元、寄生单元和微带馈电线构成。通过调节激励的相位差，使2个偶极子获得在E面和H面相同的波束宽度，寄生单元在保证波束宽度不变的同时扩展了天线的频带。图4就是由天线单元垂直排列而构成的极化分集天线。另一种分集天线是使用倾斜极化±45°角天线单元如图5所示［12］，该天线系统主要是用于个人通信系统（PCS）的SDMA（空分多址），由12×12的单元构成（1 500 mm×1 000 mm×40 mm），工作频率为1 850～1 990 MHz，总共12列，每列宽为80 mm（约为1 920 MHz的0．512波长），采用开槽馈电，经实际测试天线系统在整个频带内的回波损耗小于－23 dB，列与列之间的同极化耦合（即其中一列的＋45°通道与下一列相应的＋45°通道之间的耦合）小于－23 dB，而每一列的增益大约为16 dB。相比较垂直和水平极化分集，这种倾斜±45°极化的效率要更高一些。
4智能天线技术
智能天线［13］的功能框图如图6所示，他主要由天线阵列、模数转换、波束形成网络以及自适应数字信号处理器组成。通过数字信号处理装置控制和调整阵元的权值，使天线阵所形成的方向图主波束对准有用信号的来向，而方向图的零点对准干扰信号的来向。当有用信号来向及干扰信号来向发生变化时，数字信号处理装置按照事先设计的性能准则及算法适时调整权值，使波束自动、适时地跟踪这种变化。但由于所处的信号环境，不同系统接收信号的先验知识不同，因而对智能天线在达到系统稳定状态时的最佳性能量度的要求也不同。比较常见的几种最佳性能量度准则有：最小均方误差准则（LMS）［14］、最大信噪比准 则（最大SINR）、线性约束最小方差准则（MV准则）、最大似然准则（ML）和噪声方差性能准则。由于智能天线具有能同时形成多个独立的波束、灵活的波束形状和空间指向、灵活快速的波束捷变能力，可以实现自适应调零抗干扰及超分辨能力等特点，所以他将成为第三代及未来移动通信系统的一项关键技术。
目前，智能天线技术仍然是通信技术的研究热点之一，受制于微波电路线性化技术的要求，全智能化天线仍然处在研究阶段。
5 结语
随着无线通信的飞速发展，作为关键技术之一的天线技术的革新速度也日益加快，移动通信中的天线产品市场需求日益膨胀。本文只是概括地阐述了移动通信中的几种天线新技术及其应用，其实在实际应用中还有很多其他技术如：天线的波束赋形技术、软件天线技术等。可以预测，随着信号处理技术和微波集成电路的发展，将会有更多高性能的天线被应用到移动通信系统中。
参考文献
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