智能天线技术在20世纪60年代就开始发展,最初研究对象是雷达天线阵,目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力。而其真正的发展是在20世纪90年代初,以微计算机和数字信号处理技术为基础,其发展也是从雷达开始的。到20世纪90年代中,在美国和中国开始考虑将智能天线技术使用于无线通信系统。在1997年,北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统;美国Redcom公司则在时分多址的PHS系统中实现了智能天线。
以上是最先商用化的智能天线系统。同时,在国内外众多大学和研究结构内也广泛研究了多种智能天线的波束成形算法和实现方案。在1998年电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TD-SCDMA RTT建议并与2000年5月已被ITU批准为第三代移动通信国际标准之一CDMA TDD技术(低码片速率选项),就是第一次提出以智能天线为核心技术的CDMA通信系统,在国内外获得了广泛的认可和支持。
1. 智能天线分类
通常,智能天线技术将使用于无线通信系统中的无线基站。具有智能天线的TDD无线基站描述了一个具有智能的天线工作于TDD方式的CDMA基站的示意方框图。由此可见,和传统的、没有智能天线的基站比较,它在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射频部分;而在基带信号处理部分的硬件则基本相同。每个射频收发信机都有ADC和DAC,它们将接收到的基带模拟信号转换为数字信号,然后将待发射的数字信号转换为模拟基带信号,最后完成模拟信号和数字信号的相互转换。而所有收发数字信号都通过一组高速数字总线和基带数字信号处理器连接。
智能天线是一个天线阵列。它由个天线单元组成,不同天线元对信号施以不同的权值,然后相加,产生一个输出信号。每个天线单元有套加权器,可以形成个不同方向的波束,用户数可以大于天线单元数。根据采用的天线方向图形状,可以将只能天线分为两类:
(1)自适应方向图智能天线
自适应天线阵列是智能天线的主要类型,可以完成用户信号接收和发送,它采用自适应算法,其方向图没有固定的形状,随着信号及干扰而变化。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向,并在此方向形成天线主波束。它的优点是算法较为简单,可以得到最大的信号干扰比。自适应天线阵着眼于信号环境的分析与权集实时优化上, 动态响应速度相对较慢。
自适应天线阵列一般采用4~16天线阵元结构,阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线型、圆环型和平面型。
(2)多波束智能天线
多波束天线多波束天线在工作时,天线方向图形状基本不变,其利用多个并行波束覆盖整个用户区,每个波束的指向是固定的,波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时,它通过测向确定用户信号的到达方向(DOA),然后根据信号的DOA选取合适的阵元加权,将方向图的主瓣指向用户方向,从而提高用户的信噪比。基站在不同的相应波束中进行选择,使接收信号最强。波束智能天线对于处于非主瓣区域的干扰,是通过控制低的旁瓣电平来确保抑制的。与自适应智能天线相比,固定形状波束智能天线无需迭代、响应速度快,而且鲁棒性好,但它对天线单元与信道的要求较高,而且用户信号并不一定在波束中心,当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号最佳接收,一般只用作接收天线。
2. 移动通信中小天线
随着无线通信中语音业务、窄带和宽带数据业务、卫星广播、卫星定位的兴起, 移动通信产品市场需求的日益膨胀,只有那些体积小,携带方便,高灵敏度,高稳定性的无线通信产品才能满足需求。BICOMS、MEMS等新兴微加工技术,使得不仅是现数字、基带电路模块,甚至连射频模块也已成功的实现了微型化、芯片化的设计和生产。与此同时,天线作为重要的射频前端器件,其指标要求也日益“苛刻”,小型化、内置化、多频段、智能化是移动终端小天线的发展趋势。
小天线按照H.A.WHEELER的定义是指最大天线尺寸L2的天线(为自由空间波长)。应用中,小天线一般是包括电小天线或者较高频率(>2GHz)下尺寸较小的天线。
(1)新型双频天线技术
线极化双枝印刷IFA天线:双频线极化电小天线主要应用在GSM、PCS等个人移动终端上面。典型内置天线原型为平面倒F结构。辐射贴片由形状产生了不同长度的绕行谐振电流,从而形成了双频特性。
圆极化双频电小天线技术:圆极化双频电小天线主要应用在卫星定位地面接收设备上面。对于微带结构的圆极化微带天线,实现双频的主流技术是贴片上开缝实现。该结构的主要缺陷是没有对TM02的抑制,为了降低互耦,保证低旁瓣的方向性,只能采用TM01、TM03模式来构成双频。这样就增加的天线的尺寸。
(2)新型多频天线技术
随着3G、WLAN等应用的发展,多频段覆盖天线是天线发展最新的趋势。目前一般有两种解决,一种是多谐振结构来实现多频段,另一种是采取宽带结构,采取一个倍频的带宽来覆盖所有要求的频段。新型印刷双环线多频天线和新型印刷双铃天线是第三代和下一代移动通信天线单元的候选方案。
新型印刷双环线多频天线:该结构采用了不同匝数的印刷环线构成了多个谐振回路,低频主要谐振在匝数多的环线上,高频主要谐振在匝数底的环线上。两环的基次谐振模式和高次谐振模式耦合构成了该天线的多频特性。该天线的测量和仿真结果,可以清楚地看到,该天线在1GHz、1.6GHz、1.8GHz、2.4GHz、有多个谐振频段。
新型双铃宽频天线:为了满足2GHZ以上频率的多频通信的需求,宽带平面内置天线覆盖了2-4.2GHz的频带可以满足IMT2000、WLAN802.11b、Bluetooth、3.5GHz无线接入等应用。
(3)可重构天线技术
随着MEMS工艺的发展,近年来出现了新的天线类型:可重构天线。该类型天线利用MEMS技术实现了天线结构可变,使天线通过结构变化来改变天线频段,方向性等参数。