1智能天線的基本概念

智能天線綜合了自適應天線和陣列天線的優點,以自適應信號處理算法為基礎,并引入了人工智能的處理方法。智能天線不再是一個簡單的單元,它已成為一個具有智能的系統。其具體定義為:智能天線以天線陣列為基礎,在取得電磁信息之后,使用人工智能的方法進行處理,對電磁環境做出分析、判斷,并自動調整本身的工作狀態使之達到最佳。依據天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動態相控陣列和自適應陣列3類。可變波束天線依據接收功率最大原則,在幾個預設陣列波束中進行切換;動態相控陣列使用測向算法,能夠連續追蹤用戶的方向而改變天線的波束,使接收功率達到最大;自適應陣列既對用戶進行測向,又對各種干擾源進行測向,在形成波束時,不僅使接收功率最大,而且使噪聲降到最低,從而使接收信噪比最高。

智能天線的發展可分成3個階段:第1階段是應用于上行鏈路,通過使用智能天線增加基站的接收增益,從而使接收機的靈敏度和接收距離大大增加;第2階段是將智能天線技術同時應用于下行鏈路,在智能天線應用于下行鏈路后,能夠控制波束的發射方向,從而有助于頻率的復用,提高系統的容量;最后一個階段是完全的空分多址,此時在一個蜂窩系統中,可以將同一個物理信道分配給不同的用戶,例如,在TDMA中,可以將同一小區內同一時隙同一載波同時分配給兩個用戶。

2智能天線的組成和關鍵技術

智能天線主要分為天線陣列、接收通道及數據采集、信息處理3部分。在移動通信系統中,天線陣列通常采用直線陣列和平面陣列兩種方式。在確定天線陣列的形式后,天線單元的選擇就十分關鍵。天線單元不僅要達到本身的性能指標,還必須具有單元之間的互耦小、一致性好以及加工方便的特點。目前微帶天線使用較多。

接收通道及數據采集部分主要完成信號的高頻放大、變頻和A/D轉換,以形成數字信號。目前,受A/D器件抽樣速率的限制,不能直接對高射頻信號和微波信號進行采樣,必須對信號進行下變頻處理,降低采樣速率。

關鍵詞：智能天線空分多址自適應天線陣列

摘要：主要介紹了智能天線的提出背景、基本概念、關鍵技術、優點以及國外的研究進展情況，最后指出了智能天線的發展方向。

一、前言

隨著蜂窩移動用戶的不斷增長，如何解決頻譜資源緊張、抑制各種干擾、提高通信服務質量成為一個亟待解決的問題。為此，人們提出了一系列的解決方案，例如，在通信密集的地方引入微蜂窩技術、頻率跳變技術、高效的編碼技術以及進行功率控制等。而智能天線為這一切問題的解決提供了一條新思路。智能天線能夠成倍地提高通信系統的容量，有效地抑制復雜電磁環境下的各種干擾，并且還能與各種通信系統和其他多址方式兼容，從而以較小的代價獲取較大的性能提高。目前，國內外有許多大學和公司致力于智能天線的研究。歐洲電信委員會(ETSI)明確提出智能天線是第三代移動通信系統必不可少的關鍵技術之一，并制定了相應的開發計劃。

二、智能天線的基本概念

智能天線綜合了自適應天線和陣列天線的優點，以自適應信號處理算法為基礎，并引入了人工智能的處理方法。智能天線不再是一個簡單的單元，它已成為一個具有智能的系統。其具體定義為:智能天線以天線陣列為基礎，在取得電磁信息之后，使用人工智能的方法進行處理，對電磁環境做出分析、判斷，并自動調整本身的工作狀態使之達到最佳。依據天線的智能化程度可將天線分成可變波束天線、動態相控陣列和自適應陣列3類。可變波束天線依據接收功率最大原則，在幾個預設陣列波束中進行切換；動態相控陣列使用測向算法，能夠連續追蹤用戶的方向而改變天線的波束，使接收功率達到最大；自適應陣列既對用戶進行測向，又對各種干擾源進行測向，在形成波束時，不僅使接收功率最大，而且使噪聲降到最低，從而使接收信噪比最高。

關鍵詞：智能天線碼分多址自適應陣列移動通信系統容量

摘要：近年發展起來的CDMA移動通信系統技術相對于FDMA、TDMA系統具有較大的容量，但由于多徑干擾、多址干擾的存在，其容量優勢并沒有得到充分的發揮，如果在基站上采用智能天線可以降低這些干擾的影響，提高系統的性能。本文通過對智能天線的認識、優勢的闡述，從而引發智能天線在現代移動通信中的重要性。

一、引言

我們知道，天線有很多種，但大體上可分為三大類:“線天線”、“面天線”及“陣列天線”。陣列天線最初用于雷達、聲納以及軍事通信中，完成空間濾波和參數估計兩大任務。當陣列天線應用到移動通信領域時，通信工程師喜歡用“智能天線”來稱謂之。智能天線根據方向圖形成(或稱為波束形成)的方式又可分為兩類:第一類，采用固定形狀方向圖的智能天線，且不需要參考信號;第二類，采用自適應算法形成方向圖的智能天線，需要參考信號。

本文在以下提到的智能天線都是指第二類，即(自適應)智能天線，這也是目前智能天線研究的主流。

二、智能天線的技術現狀

1智能天線的技術現狀

在分析研究智能天線技術理論的同時,國內外一些大學、公司和研究所分別建立了試驗平臺,用實驗的方法來驗證理論研究的成果,得出相應的結論。

(1)在美國

在智能天線技術方面,美國較其它國家要成熟的多,并已開始投入實用。美國ArrayComm公司將智能天線技術應用于無線本地環路(WLL)系統。ArrayComm方案采用可變陣元配置,有12陣元、8陣元環形自適應陣列可供不同環境選用,現場實驗表明在PHS基站采用該技術可以使系統容量提高4倍。

(2)在歐洲

歐洲通信委員會(CEC)在RACE(ResearchintoAdvancedCommunicationinEurope)計劃中實施了第一階段智能天線技術研究,稱為TSUNAMI(TheTechnologyinSmartAntennasforUniver-salAdvancedMobileInfrastructure),由德國、英國、丹麥和西班牙合作完成。該項目是在DECT基站上構造智能天線試驗模型,于1995年初開始現場試驗,天線陣列由8個陣元組成,射頻工作頻率為1.89GHz,陣元間距可調,陣元分布有直線型、圓環型和平面型三種形式。試驗模型用數字波束成形的方法實現智能天線,采用ERA技術有限公司的專用ASIC芯片BDF1108完成波束形成,使用TMS320C40芯片作為中央控制。

摘要：介紹了智能天線的起源、發展以及天線實驗平臺的研究概況；提出了一個智能天線實驗平臺的實現方案。該方案基于新一代數字信號處理器TMS320C6701，采用高速A/D、D/A以及零中頻I/Q調制解調技術，工作于2.4GHz，采用八元天線陣列。該平臺用于移動通信中智能天線算法、空時編碼、MIMO技術和軟件無線電技術的研究。

關鍵詞：移動通信智能天線DSP軟件無線電

1智能天線技術的起源與發展

智能天線的概念是二十世紀80年代末到90年代初提出的。廣義的智能天線可以理解為能夠收集、處理信息并利用已獲得的知識自動調整結構參數以適應不同情況的天線。目前大家討論的智能天線系統都與移動，特點是蜂窩移動系統緊相連，一般指由多個天線單元組成的天線陣列系統。它可以利用數字信號處理技術的多個不同的用戶產生多個不販空間波束。每個波速的最大方向自動地對準各自用戶的方法，而把零接收方向對準干擾方向，從而提高移動通信系統的性能。

近年來大量的研究表明，智能天線可以在以下方面提高未來移動通信系統的性能：（1）擴大系統的覆蓋區域；（2）提高系統容量；（3）提高頻譜利用率；（4）減少信號間干擾（如同信道干擾、多址干擾和多徑干擾等）；（5）降低基站發射功率，減少電磁環境污染。

智能天線最初以自適應天線的形式廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領域。由于價值等因素一直未能普及到其他通信領域。近二十年來，移動通信事業飛展，移動礁用戶呈爆炸性增長，通信資源匱乏日益嚴重，通信容量不足、通信質量下降等成亟待解決的問題。如何消除同信道干擾、多十干擾與多徑衰落的影響成為提高無線通信系統性能考慮的主要因素。自二十世界80年代開始，即第一代蜂窩移動通信系統開始，人們便開始探討利用自適應天線消除同信道干擾和多徑衰落的影響、獲得多分集增益。到二十世紀90年代初，這一思想發展為智能天線的概念；二十世紀90年代末，隨著軟件無線電技術的發展，人們進一步提出了軟件天線的概念。近年來，由于數字信號處理技術的迅速發展，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，使利用數字技術在基帶進行波束成形成為可能，由此代替了以往在射頻段利用模擬電路進行波束成形的方法，而且天線系統更加可靠和靈活。由于數字信號處理芯片的價格和性能已為現代通信系統所接受，智能天線技術的研究開始從軍事領域向民用移動領域轉移，智能天線技術在移動通信中的應用研究迅速發展并顯示出了巨大的潛力。

1智能天線技術的起源與發展

智能天線的概念是二十世紀80年代末到90年代初提出的。廣義的智能天線可以理解為能夠收集、處理信息并利用已獲得的知識自動調整結構參數以適應不同情況的天線。目前大家討論的智能天線系統都與移動，特點是蜂窩移動系統緊相連，一般指由多個天線單元組成的天線陣列系統。它可以利用數字信號處理技術的多個不同的用戶產生多個不販空間波束。每個波速的最大方向自動地對準各自用戶的方法，而把零接收方向對準干擾方向，從而提高移動通信系統的性能。

近年來大量的研究表明，智能天線可以在以下方面提高未來移動通信系統的性能：（1）擴大系統的覆蓋區域；（2）提高系統容量；（3）提高頻譜利用率；（4）減少信號間干擾（如同信道干擾、多址干擾和多徑干擾等）；（5）降低基站發射功率，減少電磁環境污染。

智能天線最初以自適應天線的形式廣泛應用于雷達、聲納及軍事通信領域。由于價值等因素一直未能普及到其他通信領域。近二十年來，移動通信事業飛展，移動礁用戶呈爆炸性增長，通信資源匱乏日益嚴重，通信容量不足、通信質量下降等成亟待解決的問題。如何消除同信道干擾、多十干擾與多徑衰落的影響成為提高無線通信系統性能考慮的主要因素。自二十世界80年代開始，即第一代蜂窩移動通信系統開始，人們便開始探討利用自適應天線消除同信道干擾和多徑衰落的影響、獲得多分集增益。到二十世紀90年代初，這一思想發展為智能天線的概念；二十世紀90年代末，隨著軟件無線電技術的發展，人們進一步提出了軟件天線的概念。近年來，由于數字信號處理技術的迅速發展，數字信號處理芯片處理能力不斷提高，使利用數字技術在基帶進行波束成形成為可能，由此代替了以往在射頻段利用模擬電路進行波束成形的方法，而且天線系統更加可靠和靈活。由于數字信號處理芯片的價格和性能已為現代通信系統所接受，智能天線技術的研究開始從軍事領域向民用移動領域轉移，智能天線技術在移動通信中的應用研究迅速發展并顯示出了巨大的潛力。

圖1

2智能天線實驗平臺的研究概況

通信系統是智能配電網的硬件基礎和核心技術，無線通信是通信系統重要的一環，實現遠程終端的信息傳輸和快速處理。在設備發射功率一定的情況下，無線天線將直接影響到無線通信的可靠性及穩定性，本文對無線通信天線技術展開討論，并就無線天線的選擇給出具體意見。

1智能配網無線通信技術

無線通信技術具有建設成本低、施工難度小、擴展靈活的特點，相對于有線通信來說有巨大的優勢。隨著無線通信技術快速發展，以GPRS/CDMA、3G、4G為代表的網絡技術已成為智能配電網中主要應用的通信技術，能夠滿足配網自動化業務在響應時間、傳輸速率、雙向通信等方面的技術要求，隨著5G網絡的誕生，相信無線通信技術將在智能配電網中會發揮更大的作用。

2智能配網無線通信的天線技術

天線技術是一門屬于無線傳輸范疇的技術含量極高且內容復雜的學科，是無線通信技術的重要組成部分。在智能配電網無線通信設備中，比較常見的是全向天線，如圖1所示，即在水平方向表現為水平方向上360°都均勻輻射，也就是平常所說的無方向性。另外，也會見到少量定向天線，如圖2所示，即在某一個或某幾個特定方向上發射及接收電磁波特別強，而在其他的方向上發射及接收電磁波則為0或極小的一種天線。圖1全向天線圖2定向天線表征天線性能的參數非常多，下面僅對天線的諧振頻率、增益、帶寬、阻抗、方向圖等重要參數進行探討，這些參數對智能配電網無線通信天線的選擇關系較大。2.1天線的諧振頻率。GPRS/CDMA、3G、4G等網絡技術都有固定的工作頻率，如2G基站：GSM頻率為900/1800MHz，3G基站：WCDMA頻率為2100MHz；TD-SCDMA頻率為1880～1920、2010～2025、2320～2370MHz；天線為更好地接收和發射信號，在設計上其諧振頻率應與工作頻率相近。圖1全向天線的螺桿直徑、長度、螺距的數據決定了天線的諧振頻率。工作中應當保證全向天線的螺桿部分不受力彎曲，防止天線的諧振頻率發生變化。2.2天線的增益。天線的增益是指在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生信號的功率密度之比，單位為dBi。通常，天線增益均指最大輻射方向的增益。天線是無源器件，它本身不能產生能量，只能將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波。天線的增益值可以在輻射方向圖上查看。天線的增益選擇并不是越高越好，因為在輻射方向圖上表現為增益越高波束的寬度越窄，如圖3所示。也可以這樣理解，增益小的全向天線其波束更像一個正常的蘋果，增益大的全向天線就像把蘋果拍扁的形狀。在基站信號不好的地區，天線增益小會無法收到基站信號；增益選擇過大，天線與基站的信號交換也不會好，所以天線的增益大小應根據實際情況合理選擇。2.3天線的帶寬。天線是有一定帶寬的，這意味著雖然諧振頻率是一個頻率點，但是在這個頻率點附近一定范圍內，天線的性能都差不多，這個范圍就是帶寬。天線的帶寬和天線的型式、結構、材料都有關系。一般來說，振子所用管線越粗，帶寬越寬。天線增益越高，帶寬越窄，通常全向天線的帶寬要好于定向天線的帶寬。在選擇天線時，應優先選擇用料更扎實、做工更好的天線。2.4天線的阻抗。一個諧振回路當然有其阻抗，對阻抗的要求就是匹配：和天線相連的電路必須有與天線一樣的阻抗。在實際工作中，不能隨意換用阻抗不匹配的饋線，饋線的連接也不可隨意連接，應該用專用的端子進行連接，如圖4所示。2.5天線的方向圖。天線方向圖描述了天線在各個方向的輻射特性，包括輻射場在每個方向的強度、特點等。一個天線可以看成是由很多個小的輻射單元構成的，每個輻射單元都向空間輻射電磁波。這些輻射單元輻射的電磁波在有的方向相互疊加，輻射場變強了；有的方向相互抵消，輻射場變弱了。因此，普遍情況是天線在不同方向的輻射場強度都不同。如圖5所示，該天線在水平方向的輻射最強，在垂直方向的輻射非常小。

可以看出定向天線的信號輻射方向性非常強。圖6定向天線的方向圖在實際工作當中，城市基站覆蓋較好的地區，應當優先選擇全向天線，在農村偏遠地區，可以根據基站的位置選擇定向天線。不管選擇哪種類型的天線，都要注意天線的安裝位置及天線的輻射方向角。

一、概述

天線是實現電磁波傳播的必備器件:信號發射端利用天線實現電磁波輻射,信號接收端利用天線實現電磁波感應。因此,不論何種通信系統,只要它采用無線傳輸方式,就必須使用天線,而不論該系統采用的工作頻率是多少,屬于何種頻段,也不論采用什么多址技術或者什么調制技術。

隨著通信的發展和技術的進步,對所用器件、部件的要求也越來越高。智能天線正是適應通信發展而產生的新事物——在無線接入系統、衛星通信系統和移動通信系統(不論在公眾通信網中,還是在專用通信網中)以及軍事通信等系統中,均有其重要應用,并由此而帶來諸如抗干擾能力、頻率利用率等性能大幅度提高的一系列優點。

盡管智能天線還是起著電磁波的輻射和感應作用,但是,智能天線是一個嶄新的概念。

二、常規天線與智能天線

按照分類方法不同,常規天線(下文稱天線)有眾多的分類。例如,若按振子形狀分類,天線可分為線狀天線和面狀天線:后者有拋物面天線,卡什格侖賦形天線等(用于微波頻段);前者有布朗天線、J形天線、折合振子天線、八木天線、鞭狀天線、螺旋天線、菱形天線等(常用于特高頻、甚高頻、短波頻段)。若按方向性圖分類,天線又可分為無方向性天線(即全向性天線)和定向性天線:前者如外露偶極子天線、共軸天線等,其特點是當它們用于信號發射時,不論收信用戶位于何處,發射能量通過天線能作3600均勻分布;諸如角反射天線、角形反射器天線等則屬于定向性天線。此類天線在一定方向上形成信號的發射或接收,能量的有效性較高。若按材料分,又有金屬天線和介質天線之分。若按電場強度方向分類,天線又有垂直極化、水平極化等之分。當然,天線還有其它的分類方法,我們不一一例舉。但無論怎么說,通信天線的構成比較簡單,即使將用于與發射機、接收機相連的饋線算入,構成“天饋線系統”,但是,它依然是一個簡單系統。

1智能天線的基本概念及組成

1.1基本概念及工作原理

在移動通信中,智能天線是天線陣在感知和判斷自身所處電磁環境的基礎上,依據一定的準則,自動地形成多個高增益的動態窄波束,以跟蹤移動用戶,同時抑制波束以外的各種干擾和噪聲,從而處于最佳工作狀態。智能天線吸取了自適應天線的抗干擾原理,依靠陣列信號處理和數字波束形成技術發展起來。由于天線有發射和接收兩種狀態,所以智能天線包含智能化發射和智能化接收兩個部分,它們的工作原理基本相同。圖1所示的是處于接收狀態的智能天線結構圖。現以發射狀態的智能天線為例,說明波束的形成。將M維信號矢量S(t)=(s1(t),s2(t),...sM(t))T與一個N×M階加權矩陣W相乘,得到一個N維的陣信號矢量X(t)=W×S(t)。其中,X(t)=(x1(t),x2(t),x3(t),…xN(t))T,在遠區產生的場強為:

顯然,Σnwnmfn(θ)表示單路信號sm(t)的輻射方向圖。一旦天線陣確定下來后,它的方向性函數fn(θ)也隨之確定,于是只要通過改變wnm就可形成所需要的輻射方向圖。

1.2組成及關鍵技術

(1)射頻部分

摘要:通信行業作為我國經濟發展中的支柱行業,其發展需要擁有長遠的眼光。隨著我國通信技術的不斷發展,目前4G通信技術已經在我國通信行業得到了廣泛的應用,其不僅大大提高了信息傳播的速度,同時,也占據了技術的制高點,為客戶提供更好的通信服務。

關鍵詞:4G；通信工程；技術要點

1探究4G通信工程技術的優點

1.1速度快

從我國4G通信技術發展的歷史來看,我國通信技術最大的變化就是通信速度在不斷的提高,這不僅為我國通信服務的發展提供了堅實的基礎,同時提高了客戶的通信速度。語音系統是通信行業第一代的通信技術的產物,無法實現上網;而第二代的通信技術傳輸速率不高,大概只有10kb/s,雖然在第三代通信技術中傳輸的速率有所提高,但也只有2Mb/s,與4G通信技術的最高速率100Mb/s相比,顯得尤為不足。因此4G通信技術的廣泛應用其中最大的特點在于提高了通信速度。

1.2具有較高的智能性