智能天线去耦技术实证研究

【摘 要】智能天线技术作为下一代移动通信系统的关键技术之一，通过将电波信号集中在某个特定的方向上，使收发之间建立起近似的点对点无线通信链路，为系统容量带来的巨大的提升。详细分析了智能天线技术特性;通过去耦化研究，建立了仿真模型，验证了反向耦合去耦合的一种思路。

【关键词】智能天线;去耦技术;仿真模型;实证分析

中图分类号： TN929.5;TN821.91 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0073-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.034

【Abstract】As one of the key technologies of the next generation of mobile communication system， smart antenna technology enables the establishment of an approximate point-to-point wireless communication link between transceivers and receivers by concentrating the radio signal in a specific direction， which greatly improves the capacity of the system. The technical characteristics of smart antenna are analyzed in detail. Through decoupling research， a simulation model is established to verify the idea of reverse coupling decoupling.

【Key words】Smart antenna; Decoupling techniques; Simulation model; The empirical analysis

0 前言

随着移动通信技术的发展，移动通信网络由原来的单一语音传输发展到现在的集语音、数据、视频、图片等综合信息的传输载体。每一种新的移动运用产生都为移动网络承载能力带来一次新的压力。自进入21世纪以来 ，无线移动通信在全球范围内得到迅猛发展 ，移动用户数量剧增。尤其是以网络电视，网络视频为代表的新媒体在移动网络中的不断延伸，讓移动通信网络倍感吃力。人们对移动通信需求的增长一直远高于移动网络承载能力的增长。在无线通信链路中，能实现点对点的传输，将可以大大的提高通信效率，增加网络容量，减少相互干扰。智能天线应此而生，智能天线通过将电波信号集中在某个特定的方向上，使收发之间建立起近似的点对点无线通信链路，为系统容量带来的巨大的提升。智能天线技术已经成为下一代移动通信系统的关键技术之一。智能天线的引入，为无线通信系统带来的空分复用的可能。即将空间划分成不重叠的若干子空间，每个通信链路占用其中一个子空间，从而实现信号的无干扰传输。智能天线作为新的移动通信技术，是《基于MMC的海上全直流风场虚拟同步控制的研究》的前期研究成果，也是该课题的通信手段之一。

1 智能天线技术分析

为了提高系统的承载能力，多采用分复用（TD）、频分复用（FD）、码分复用（CDMA）。时分复用是将通信链路分成若干个时隙，每个用户使用其中一个时隙，从而使多个用户可以共用一个通信链路资源。频分复用是利用各个频率相互正交的特点，每个用户使用的一个特定的频率，通过混频器将各个用户不同频率的信号同时通过一个通信链路传输，最后通过选频将信号传递给特定用户。码分复用是按照一种特定编码规则对信号进行编码，只有持有特定解码串的用户才能对已编码的信号进行识别认知，其他没有特定解码串的用户无法对该信号进行认知，从而实现信号的点对点传输而不干扰其他用户[1]。

智能天线在早期也被称为相控阵天线或自适应天线阵列，最早应用于军事领域，如雷达、声纳等军事设备。在传统的通信技术中，都是利用信号的时域、频域信息来解决多用户信号的干扰问题。这些技术包括时域均衡、码匹配滤波、信道编码等。无线通信过程中，信号在时域、频域存在差异的同时，在空域也存在差异。最早人们利用空域不同来提升网络带宽的方法有采用定向扇形天线、天线分集、小区分裂等方法。这些都是对空域复用的初步技术。随着用户的增加，系统容量要求进一步提升，因此对空域资源的粗放式利用必须要变成精细化利用。通过智能天线能实现空间的精细化利用。智能天线通过将普通天线的宽波束变成窄波束，使辐射能量集中在有效的范围内，这不仅带来了两个通信用户之间的信号增强，同时也使他们的电波信号对其他用户的干扰降低。智能天线，借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异，通过赋予各个单元天线不同的权值，形成的合成信号主瓣对准有用信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而提高通信质量，并有效的抑制干扰。另外，应用智能天线技术和多通道（MIMO）天线技术可以减少或消除电磁多经传播导致的问题。

目前智能天线更多的是在基站使用。受制于移动台的成本及大小尺寸，复杂及尺寸庞大的智能天线在移动台的布置较为困难，因此目前移动台一般是采用全向天线而不是智能天线。移动通信基站使用了智能天线之后，由于基站发出的无线电波信号是在基站和用户之间的定向传输，这大大减少了对处在不同方位其他用户的信号干扰，网络系统的容量由此可以得到很大的提升。应用于基站端的智能天线是由多个天线单元组成的阵列天线，它的水平面方向图可以通过对阵列中各个单元激励的幅度和相位加权来确定。通过计算接收到的移动台信号，可以得出移动台信号的到达入射角（DOA）。智能天线通过相应的调节各阵元激励的幅度和相位来改变阵列的天线方向图，将天线波束主瓣方向指向用户信号到达方向，旁瓣或零陷指向干扰信号到达方向，从而近似实现基站与移动台之间的点对对电波传输。基站端应用智能天线的运用可以提高信道容量、增加频谱重复利用率、扩大基站覆盖范围、抗多径干扰、减少干扰信号的产生等[2]。

智能天线在工作时，它以高增益的窄波束来跟踪期望用户。智能天线将接受到的入射信号通过信号处理计算可以知道信号的入射方向，然后智能天线实时的将波束主瓣对准信号入射方向，从而将电磁能量集中在有效的通信路径中，这可以在不增加信号放射總功率的情况下，提高信号接收电平。这也表现为信噪比的提高。也被称为空域滤波技术。在多波束系统中，如果噪声是均匀分布、各向同性的，其信号检测能力是比较满意的。但是，如果背景噪声不稳定或有近场干扰时，其通信能力会迅速下降。自适应滤波技术能够很好的对抗这种噪声干扰，它通过自适应算法能够得出最佳权值矢量，从而很好的抑制噪声干扰。

2 智能天线去耦设计

2.1 耦合网络

在天线端口与馈电端口之间加入一个去耦合网络，可以减小各单元之间的相互影响。图1是天线去耦合网络示意图，在天线阵的辐射单元和馈电网络之间添加了一个去耦合网络，以抵消天线单元间的耦合影响。

2.2 去耦合网络的实现

多天线系统各个单元之间的耦合可以通过预先逆补偿的方法去除。以两单元天线为例，对其原理进行说明。图2是一个两单元天线去耦合原理图。当有相互耦合存在时，天线1工作时会产生一个激励信号A，激励信号A通过单元之间的耦合，作用到天线2上时，成为了信号A'。对于天线2来说，信号A'是干扰信号，应设法去除。如果天线1在工作时在能产生信号A的同时，也能产生信号B，该信号B作用到天线2上时，成为了信号B'。那么在天线1工作时，将会有信号A和逆向的信号B同时作用于天线2，使得天线2同时获得信号A'和信号B'。如果信号A'信号B'大小相等，方向相反，则天线1对于天线2的干扰可以被消除[3]。

2.3 验证模型的设计

根据上述原理，设计了一个模型用于验证，其模型如图3所示。图3是一个去耦合仿真模型，天线1和天线2以及去耦合网络设置在Rogers R04003基板上，介电常数为3.55，板厚为1.5mm。两天线内边距离为17mm。基板的背面下方有铜片，作为地。耦合网络通过中间连线也，穿过过孔与地相连。其中，耦合网络的等效电路模型如图4所示。天线1的激励信号耦合到天线2时，通过去耦合网络传递一个逆信号给天线1，这样就可以消除天线1对天线2的影响了。

在图4中，两对C1和L1分别为两个天线与耦合网络之间的互电容和互电感，C2是感应元件的自电容，L2为接地电感。下面来分析等效电路中各个参数的影响。从电路中可以看出，C1和L2将会对隔离和带宽带来显著影响。通过仿真得到，L1为1.5nH，C2为0.2pF。对比C1=0.25pF，L2=6nH和C1=0.45pF，L2=4nH时，可以看出，端口的S11值后者明显低于前者。由此知，增加互电容C1可以明显的提高耦合网络的带宽。通过合理调节，可以使去耦合网络工作在2.4GHz频带范围内。

3 结论

互耦分析方法常用有阻抗矩阵、开路电压和散射矩阵法三种。天线之间的耦合有表面波耦合、近场耦合和远场耦合三种类型。改善天线的隔离度有正交极化法、阻隔法、消去法等。文章对去耦合的原理作了分析研究，并通过一个去耦合模型，验证了反向耦合去耦合的思路。通过在两个天线之间，添加一个去耦合网络，以消除天线间原有的耦合信号影响。实例证明，去耦合网络有效的消除天线间的耦合影响。

【参考文献】

[1]Liberti，J.C，马凉，等.无线通信中的智能天线：IS-95和第3代CDMA运用[M].机械工业出版社，2002.8：78-79.

[2]汪茂稳，郭宝平.一种新型宽频多通道（MIMO）天线设计[J].微波学报，2013.4，29（2）：57-60.

[3]马骁，周围.第四代移动通信系统中的多输入多输出智能天线技术[J].山西电子技术，2006（5）：60-61.

※基金项目：安徽省高校自然科学基金·资助项目（KJ2017A582）;安徽省教育厅高等职业教育创新发展行动计划（XM-（2）348）。

作者简介：蒋玲玲（1982—），女，安徽阜阳人，硕士研究生。