陳 偉，郝宏剛，景小榮，張祖凡，盧化曉

(1.重慶郵電大學光電工程學院，重慶 400065;2.重慶郵電大學移動通信技術重點實驗室，重慶 400065;3.中國電子科技集團公司第54研究所通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術重點實驗室，河北 石家莊 050081)

智能天線的概念于20世紀80年代末90年代初提出，來源于陣列天線中的自適應天線理論，利用陣列信號處理技術和相控陣原理，產(chǎn)生高增益的窄波束，使天線的主波束對準期望信號方向，低增益的副瓣甚至零陷對準干擾信號方向，從而達到提高信號干擾噪聲比、提高系統(tǒng)的頻譜復用率和增加系統(tǒng)容量的目的。智能天線技術可以為通信系統(tǒng)的性能和容量帶來較大的改善。因此，3G標準均引入了智能天線技術，尤其是中國提出的3G標準TD-SCDMA更將智能天線技術作為其核心技術，并且在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用智能天線技術更具實現(xiàn)優(yōu)勢［1］。目前智能天線不僅應用于移動通信網(wǎng)絡，且在數(shù)字電視中也得到了廣泛應用，并為提高數(shù)字電視尤其是車載數(shù)字電視的信號接收穩(wěn)定度開辟了蹊徑［2］。

智能天線為了產(chǎn)生高增益的窄波束，必須采用由多個天線單元組成天線陣的形式。這就意味著1個單元間距為0.5 λ(λ 為2 GHz所對應自由空間波長，0.5 λ =75 mm)的8單元TD-SCDMA線形智能天線陣，其橫向電尺寸大約在675 mm左右［3-4］。智能天線陣較大的橫向電尺寸給網(wǎng)絡建設和工程施工帶來了諸多問題，因此小型化是智能天線今后發(fā)展的主要趨勢［5］。目前，智能天線小型化技術方案主要有3種［6］，分別是減少天線陣單元數(shù)、緊湊型智能天線和雙極化智能天線。3種方案都是力求在不降低網(wǎng)絡性能的同時盡量減小智能天線的橫向電尺寸。其中，緊湊型智能天線陣是通過調(diào)整天線單元間的距離，降低天線陣的橫向電尺寸，該方法簡單，容易實現(xiàn)。本文根據(jù)文獻［6］提出的智能天線小型化技術方案，對單元間距為45 mm的緊湊型智能天線陣進行設計和分析。同時，對天線陣單元非等間距排布的幾種方案的性能進行分析，著重研究在實現(xiàn)天線陣的橫向電尺寸減小的情況下，天線陣的總體性能的變化，為智能天線陣的小型化提供理論依據(jù)。

為了進一步考察陣元間距對智能天線陣列性能的影響，該方案利用仿真軟件分別對緊湊型等間距、非等間距線形智能天線陣的性能進行了對比，其研究結論對于推進智能天線陣小型化設計的工程應用具有一定的參考價值。

1 基本原理

智能天線源于陣列天線中的自適應天線，它通過調(diào)節(jié)各單元信號的加權矢量來改變方向圖形狀，使主波束對準期望信號方向，零陷或副瓣對準干擾信號方向。一種線形智能天線陣結構如圖1所示。

圖1 線形智能天線陣結構

假設由N個相似元組成線形陣，第n個單元沿x軸位于xn，天線陣的方向圖函數(shù)可表示為

式中:Fe(θ，φ)為第n個單元的方向圖。

式(2)為陣因子，In為第n個單元激勵電流。若天線陣為等間距均勻激勵，單元間距為d，電流相位線性漸變，且相鄰兩個單元的相位差為一個固定值?，則激勵電流可表示為

陣因子可表示為

因此可得出天線陣的半功率波瓣寬度為

由式(5)可知，半功率波瓣寬度隨單元間距的減小而增大。當天線陣采用非等間距線陣列結構時，依據(jù)參考文獻［7］可知，通過調(diào)整單元的激勵幅度可降低副瓣電平，當激勵幅度自中心向兩端錐削時，可使副瓣降低，其代價是主瓣寬度展寬。因此，非等間距線形陣可等效為單元激勵幅度錐削的等間距線形陣，當兩者的口徑尺寸相同時，可獲得相似的方向圖。考慮到該研究的重點是橫向電尺寸縮小后天線陣的性能的變化，根據(jù)實際情況，本文研究的非等間距線形陣的最大間距為0.5 λ。

2 緊縮型線形智能天線陣的設計

筆者對單極化智能天線陣進行了設計和研究，假設天線陣由8個單元(8通道)線形排布組成，每個單元由8個空氣耦合陣子并聯(lián)組成，每個單元的工作頻段滿足TD頻段要求。

2.1 半波對稱振子和智能天線陣單元的設計

設計對稱振子結構如圖2所示，天線采用厚度為1 mm的鋁板，天線采用50 Ω的空氣微帶線中心耦合饋電，通過調(diào)節(jié)陣臂的長度改變天線的諧振頻率，以調(diào)節(jié)振臂的寬度和饋電片的長度來改善天線的帶寬。通過HFSS10.0仿真優(yōu)化，最后得出振子長70 mm，振子臂寬15 mm，饋電片寬6.45 mm，長61 mm，天線到反射板的距離為35 mm。仿真結果如圖2～圖4所示。當振子的工作頻率為1770 ～2260 MHz時，VSWR ≤1.5，相對帶寬達到了24.5% ，滿足TD工作頻段(1880～1920 MHz，2010 ～2025 MHz)要求，且天線在2.0 GHz時的增益達到了8 dB。

采用上述設計的8個振子組成1個智能天線陣單元，根據(jù)筆者的仿真經(jīng)驗，相鄰的2個振子間隔定為130 mm，通過1個微帶T接頭連接，由于2個相鄰振子的饋電端口朝向不一致，若直接對其進行饋電，會造成饋入2個振子的信號反相。因此，通過控制饋線的長度，使其物理長度相差180°的電長度，達到對2個振子進行同相饋電的目的，最后通過3個二等功分器對8個振子進行等幅等相位饋電，天線陣單元結構和回波損耗如圖5～6所示。

2.2 緊湊型等間距線形智能天線陣

為了抑制柵瓣，智能天線陣單元間距通常為0.5 λ(75 mm)。緊湊型天線陣壓縮單元之間的間距，這樣可以有效地減小天線陣的橫向電尺寸。但由于間距縮小后單元間的互耦影響加劇，此時天線陣的方向圖不但與不同方向來波在各天線單元上產(chǎn)生波程差相位有關，而且與各天線單元的阻抗不一致引入的幅度和相位有關［8］。具體表現(xiàn)為天線單元間的互阻抗增大，導致天線陣方向性系數(shù)減小，賦形增益下降，方向圖主波束展寬。如圖7所示，當單元間距縮小為45 mm時，天線陣賦形的增益下降了3 dB，半功率主瓣寬度增加了9°，但天線陣的橫向電尺寸卻減少了31%。

圖7 45 mm，75 mm等間距線形陣xoz面方向圖比較

2.3 緊湊型非等間距線形智能天線陣

研究表明，非均勻線形陣可以明顯地減小天線陣的副瓣電平［9］。非均勻線形陣有兩種方案:一種是均勻激勵非等間距線形陣;另一種是非均勻激勵等間距線形陣。由于第二種方案在實際應用中需要復雜的饋電網(wǎng)絡，為了減小智能天線系統(tǒng)的復雜性，本文選擇第一種方案。設計了3種非等間距線形陣，如圖8所示，其中(a)和(b)是基于參考文獻［9］，間距的遞增因子分別為0.2和0.1，最大間距為0.5 λ，而(c)的排列分布可等效為相同口徑的正弦幅度加權的等間距線形陣，第n個單元位于［10］

式中:L=675 mm，通過計算，第1個單元到第2個單元以及第7個單元到第8個單元的間距為0.87 λ，這時天線陣會產(chǎn)生2個較大的副瓣;當減小到0.5 λ時，2個較大的副瓣消失，因此第1個單元到第2個單元以及第7個單元到第8個單元的間距取0.5 λ。通過仿真可以得出，與間距為75 mm的8單元等間距線形陣相比，采用方案a天線陣最大副瓣電平減小6 dB，半功率主瓣寬度增加3.3°，天線橫向電尺寸減少了20%;采用b方案天線陣最大副瓣電平減小5 dB，半波主瓣寬度增加1.4°，天線橫向電尺寸減少了9.18%;采用c方案天線陣最大副瓣電平減小7 dB，半波主瓣寬度增加2.7°，天線橫向電尺寸減少了15.1%。如圖9所示，副瓣電平的減小是以增加主瓣寬度為代價，且非等間距線形陣的零陷有了不同程度的上升，天線陣賦形增益下降1.2 dB左右。

圖8 3種非等間距線形陣結構

由上文分析可以得出，緊縮型等間距線形陣的賦形增益下降了3 dB，半功率主瓣寬度增加了9°，但天線陣的橫向電尺寸卻減少了31%。緊縮型非等間距線形陣可以使天線陣的第一副瓣電平降低5～7 dB，橫向電尺寸減少9.18% ～20%。

3 結語

本文首先完成了單極化線形智能天線陣的設計，研究了通過縮小單元間距來減小智能天線陣的橫向電尺寸，對緊縮型等間距和非等間距線形智能天線陣進行了仿真和分析，得出智能天線陣橫向電尺寸的減小是以降低天線陣性能為代價。這些結論對于實際工程應用中基站端天線類型的選址，具有一定的參考意義。由于利用HFSS軟件仿真大電尺寸的天線需要耗費大量的計算機資源，受硬件條件限制，無法對單元間距縮小后天線單元間的隔離度進行研究，因此今后將著重研究天線陣單元間距對單元間隔離度的影響。

圖9 等間距線形陣與非等間距線形陣xoz面方向圖比較

［1］蔣年專.智能天線及其在TD-SCDMA中的應用［J］.通信技術，2003(5):59-61.

［2］晉軍，程劍，朱德生.智能天線及其在數(shù)字電視中的應用［J］.電視技術，2004，28(7):46-48.

［3］BELLOFIORE S，BALANIS C，F(xiàn)OUFZ J，et al.Smart-antenna systems for mobile communication networks part I:Overview and antenna design［J］.IEEE Antenna’s and Propagation Magazine，2002，44(3):145-154.

［4］WANG Maowen，HE Yejun，ZHU Guangxi，et al.Design and simulation of dipole and cable-fed network of td-scdma smart antenna［C］//Proc.IEEE International Conference on Communications and Mobile Computing.［S.l.］:IEEE Press，2002:65-69.

［5］張斌.突破瓶頸智能天線走向“四化”［J］.電信技術，2008，11:29-32.

［6］劉龍山.智能天線小型化的發(fā)展［J］.電信科學，2008(2):90-91.

［7］康行健.天線原理與設計［M］.北京:北京理工大學出版社，1993:115-121.

［8］姚超軍.互耦合對小間距天線陣增益影響的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2007.

［9］TAN N，RAHIM S，ALI M，et al.Smart antenna:weight calculation and sidelobe reduction by unequal spacing technique［C］//Proc.IEEE International RF and Microwave Conference .［S.l.］:IEEE Press，P.D 2008:441-444.

［10］王建 .列陣天線分析與綜合［EB/OL］.［2011-04-25］.http://www.docin.com/p-40023172.html.