淺談TD-SCDMA智能天線基本原理和測(cè)試方法

1  引言

作為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之一的TD-SCDMA，采用了兩項(xiàng)最為關(guān)鍵的技術(shù)，即智能天線技術(shù)和聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)。其中智能天線對(duì)于系統(tǒng)的作用主要包括：

（1）通過(guò)多個(gè)天線通道功率的最大比合并以及陣列信號(hào)處理，明顯提高了接收靈敏度；

（2）波束賦形算法使得基站針對(duì)不同用戶(hù)的接收和發(fā)射很高的指向性，因此用戶(hù)間的干擾在空間上能夠得到很好的隔離；

（3）波束賦形對(duì)用戶(hù)間干擾的空間隔離，明顯增加了CDMA的容量，結(jié)合聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，使得TD-SCDMA能夠?qū)崿F(xiàn)滿(mǎn)碼道配置；

（4）通過(guò)波束賦形算法能夠?qū)崿F(xiàn)廣播波束寬度的靈活調(diào)整，這使得TD-SCDMA在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程中小區(qū)廣播覆蓋范圍的調(diào)整可以通過(guò)軟件算法實(shí)現(xiàn)（常規(guī)基站天線的廣播波束是固定不可變的，若想調(diào)整覆蓋范圍必須要更換天線），從而明顯提高了網(wǎng)優(yōu)效率；

（5）通過(guò)對(duì)天線陣進(jìn)行波束賦形使得下行信號(hào)能夠?qū)?zhǔn)一個(gè)（或若干個(gè)不同位置的用戶(hù)）用戶(hù)，這等效于提高了發(fā)射機(jī)的有效發(fā)射功率（EIRP）。

CDMA系統(tǒng)中采用了大功率線性功放，價(jià)格比較昂貴；采用智能天線技術(shù)的TD系統(tǒng)可以采用多個(gè)小功率功放，從而降低了制造成本。

2  基本工作機(jī)理

根據(jù)波束成形的實(shí)現(xiàn)方式以及目前的應(yīng)用情況，智能天線通?？煞譃槎嗖ㄊ悄芴炀€和自適應(yīng)智能天線。

多波束智能天線采用準(zhǔn)動(dòng)態(tài)預(yù)多波束的波束切換方式，利用多個(gè)不同固定指向的波束覆蓋整個(gè)小區(qū)，隨著用戶(hù)在小區(qū)中的移動(dòng)，基站選擇其中最合適的波束，從而增強(qiáng)接收信號(hào)的強(qiáng)度。多波束智能天線的優(yōu)點(diǎn)是復(fù)雜度低、可靠性高，但缺點(diǎn)是它受天線波束寬度等參數(shù)影響較大，性能差于自適應(yīng)智能天線。

自適應(yīng)智能天線采用全自適應(yīng)陣列自動(dòng)跟蹤方式，通過(guò)不同自適應(yīng)調(diào)整各個(gè)天線單元的加權(quán)值，達(dá)到形成若干自適應(yīng)波束，同時(shí)跟蹤若干個(gè)用戶(hù)，從而能夠?qū)Ξ?dāng)前的傳播環(huán)境進(jìn)行最大程度上的匹配。自適應(yīng)智能天線在理論上性能可以達(dá)到最優(yōu)，但是其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和算法復(fù)雜度均明顯高于多波束智能天線。

TD-SCDMA系統(tǒng)采用的是自適應(yīng)智能天線陣，天線陣列單元的設(shè)計(jì)、下行波束賦形算法和上行DOA預(yù)估是智能天線的核心技術(shù)。

智能天線陣的實(shí)現(xiàn)原理類(lèi)型于相控陣天線。下面我們以一維線陣相控陣天線為例。

首先，作為最基本的一維波束掃描相控陣天線是一個(gè)等間距排列的直線陣列（見(jiàn)圖1），其中陣列的每個(gè)輻射單元的激勵(lì)相位可以變化，即當(dāng)相鄰輻射單元的激勵(lì)相位呈特定的等差級(jí)數(shù)變化時(shí)，陣列方向圖是通過(guò)對(duì)每一列天線單元的幅度相位激勵(lì)進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)波束掃描的。

圖1  一維線陣天線波束掃描原理

當(dāng)波束的最大指向偏離法線方向?yàn)棣?時(shí)，則各個(gè)天線端口的激勵(lì)波程差為： ФN =（N-1）2πd sinθ0 /λ

其中：d為相鄰單元的間距，λ為天線工作頻率的波長(zhǎng)

智能（自適應(yīng)）天線系統(tǒng)以陣列天線和自適應(yīng)信號(hào)處理算法為基礎(chǔ)，能夠從多個(gè)多路徑信號(hào)和干擾信號(hào)中把有用信號(hào)區(qū)分出來(lái)，自動(dòng)地把主瓣最大值鎖定在有用的移動(dòng)來(lái)波信號(hào)方向上，并自動(dòng)減小干擾方向的付瓣電平。智能天線所具有的這種精確跟蹤能力和干擾抑制能力可以使在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)的幾個(gè)用戶(hù)使用相同的信道。

智能天線系統(tǒng)的工作機(jī)理概念可以用圖2 和圖3 予以描述。在圖2中，N個(gè)天線輻射單元接收到信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻放大后，在基帶的數(shù)字波束成形（DBF）網(wǎng)絡(luò)中采用Wi的復(fù)權(quán)系數(shù)加權(quán)并進(jìn)行疊加合成，然后進(jìn)入接收機(jī)，其中DSP智能算法處理器根據(jù)N個(gè)天線輻射單元來(lái)波的幅度/相位關(guān)系預(yù)測(cè)出有用信號(hào)的方向。疊加合成得到最大的接收信號(hào)。在圖3中，DSP根據(jù)上述預(yù)測(cè)的有用信號(hào)方向以及預(yù)測(cè)的干擾信號(hào)方向，可以自適應(yīng)產(chǎn)生合適的Wi復(fù)權(quán)系數(shù)，并激勵(lì)各個(gè)天線單元的輻射，從而將主瓣板對(duì)準(zhǔn)有用信號(hào)，將零點(diǎn)對(duì)消。

圖2  智能天線上行接收原理

圖3  智能天線下行接收原理

一種典型的智能天線陣如圖4所示。它共有9個(gè)端口，中間的端口為校準(zhǔn)口，其余的8個(gè)端口為天線端口。校準(zhǔn)口的作用是用于校正智能天線陣在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下的各接收（發(fā)射）通道到各列天線口面的相位差，其它八個(gè)端口分別連接到基站的收/發(fā)信機(jī)通道。

圖4  典型的定向智能天線陣

3  主要測(cè)試參數(shù)和典型測(cè)試方法

由于智能天線測(cè)試比普通天線要復(fù)雜得多，對(duì)智能天線的測(cè)試也比較復(fù)雜。以圖4給出的智能天線陣為例，我們可以將該天線的測(cè)量分為2類(lèi)：電路參數(shù)測(cè)量和輻射參數(shù)測(cè)量。

電路參數(shù)包括：各端口輸入阻抗、相鄰天線單元端口隔離度、各天線端口有源反射系數(shù)、校準(zhǔn)口到各天線單元的幅度相位一致性。

輻射參數(shù)測(cè)試包括：各天線單元的方向圖和增益、典型業(yè)務(wù)波束的方向圖和增益；廣播波束的方向圖和增益。

由于電路參數(shù)指標(biāo)為智能天線出廠必測(cè)指標(biāo)，下面我們重點(diǎn)探討一下智能天線的電路參數(shù)測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試方法。一個(gè)8單元單極化智能天線陣的電路參數(shù)測(cè)試包括：

（1）相鄰端口的隔離度，即S12、 S23、 S34、 S45 、 … S78 的特性(不包括校準(zhǔn)口)；

（2）校準(zhǔn)口到各天線單元的幅相一致性，即S01、 S02、… 、S07 、S08 的幅度相位特性（Mag|S01|、| Mag|S02| 、Mag|S03| 、Mag|S04|、 Mag|S05|、Mag|S06|、Mag|S07| 、Mag|S08|；Pha|S01| 、Pha|S02|、 Pha|S03|、 Pha|S04|、 Pha|S05|、 Pha|S06|、Pha|S07 |、Pha|S08|）；

（3）各天線端口的無(wú)源反射系數(shù)（或無(wú)源回波損耗），即S00、S11、S22、… 、S33 、 S88 的特性；

（4）各天線端口的有源反射系數(shù)（或有源回波損耗），考慮單元之間的互耦和各單元的幅相激勵(lì)問(wèn)題。

根據(jù)下面的S參數(shù)激勵(lì)矩陣模型

                （2.1）

可以推出各端口的有源反射系數(shù)為

         （ 2.2）

進(jìn)行波束掃描的時(shí)候，對(duì)源進(jìn)行相位加權(quán)。測(cè)試的典型值給出一組：

            （2.3）

一般的天線測(cè)試可以使用2端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。而智能天線有8個(gè)天線端口和一個(gè)校準(zhǔn)端口，且其測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試復(fù)雜度比普通天線要高很多，因此一般的2端口或4端口矢網(wǎng)很難滿(mǎn)足其測(cè)試要求。但是為了確保智能天線的性能，上面提到的測(cè)試項(xiàng)往往是天線研發(fā)和生產(chǎn)時(shí)必測(cè)的項(xiàng)目，因此我們需要尋求一種快速、全面的測(cè)量解決方案。

羅德與施瓦茨(R&S)的 ZVT 是業(yè)界唯一的8端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。它內(nèi)置4個(gè)獨(dú)立的源，16個(gè)獨(dú)立接收通道，有著極快的測(cè)量速度，因此是針對(duì)智能天線和相控陣天線測(cè)試的最佳選擇（見(jiàn)圖5）。它可以一次完成一個(gè)S88全矩陣測(cè)試，這對(duì)2端口和4端口矢網(wǎng)是不可能實(shí)現(xiàn)的。

圖5  用R&S的8端口矢網(wǎng)ZVT測(cè)試智能天線
 
                         （2.4）

針對(duì)第1、2項(xiàng)測(cè)試，R&S ZVT可一次性完成。

針對(duì)第3項(xiàng)測(cè)試（共需要9個(gè)端口），R&S ZVT只需要兩步就可完成（如圖6和圖7所示），同時(shí)結(jié)合Trace Math（軌跡計(jì)算，對(duì)多個(gè)軌跡進(jìn)行任意的計(jì)算，以擴(kuò)展測(cè)量功能）功能，可以實(shí)時(shí)的計(jì)算并顯示各通道幅度/相位一致性（如圖8所示）。

圖6  R&S ZVT 針對(duì)智能天線幅度相位一致性的測(cè)試（第1步）

圖7  R&S ZVT 針對(duì)智能天線幅度相位一致性的測(cè)試（第2步）

圖8  典型的幅度一致性測(cè)試結(jié)果（校準(zhǔn)口到各天線端口）

針對(duì)第4項(xiàng)測(cè)試，借助結(jié)合R&S ZVT的強(qiáng)大的Trace Math功能，可以將公式（2.3）中的θ編入ZVT的公式編輯器中，結(jié)合R&S ZVT測(cè)量的全矩陣（2.4），可以實(shí)時(shí)地顯示各端口的有源反射系數(shù)，典型的測(cè)量結(jié)果如圖9，圖10所示：

圖9  智能天線端口1的有源反射系數(shù)（k*d*sinθ=π/3條件下）

其中：k=2*π/λ,d=相鄰天線單元的間隔（此兩項(xiàng)為常量）；

θ為智能天線合成波束的掃描角（此項(xiàng)為變量）

圖10  智能天線端口1的有源反射系數(shù)（k*d*sinθ=π/5條件下）

其中：k=2*π/λ,d=相鄰天線單元的間隔（此兩項(xiàng)為常量）；θ為智能天線合成波束的掃描角（此項(xiàng)為變量）。

由圖9，圖10可知，利用ZVT的8端口和強(qiáng)大的Trace Math功能，可以實(shí)時(shí)的顯示任意掃描角下的各端口有源反射系數(shù)，為智能天線系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)測(cè)試提供了極大的便利。

4  結(jié)束語(yǔ)

智能天線比普通天線復(fù)雜得多，對(duì)智能天線系統(tǒng)的性能評(píng)估也比較復(fù)雜。在研發(fā)和生產(chǎn)階段必須對(duì)智能天線進(jìn)行全面測(cè)試，這樣才能對(duì)其性能進(jìn)行全面的考核，將智能天線的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。使用一般的2端口或4端口矢網(wǎng)很難全面、快速地測(cè)試智能天線。而R&S的 ZVT 獨(dú)具8個(gè)端口，并有強(qiáng)大的Trace Math功能，因此能滿(mǎn)足智能天線的測(cè)試需求，能幫助天線廠家對(duì)其智能天線進(jìn)行快速、全面的測(cè)試。

附：相關(guān)名詞解釋

極化：是指電場(chǎng)在空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線，稱(chēng)為線極化；當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)圓（或橢圓）時(shí)，稱(chēng)為圓（或橢圓）極化。線極化又分為垂直極化（即極化方向與地面垂直）和水平極化；圓極化又分為左旋圓極化和右旋圓極化（采用右手法則）。

天線增益：是指天線在空間某點(diǎn)的輻射功率相對(duì)于理想的點(diǎn)源（無(wú)方向性天線，實(shí)際上不存在）在該點(diǎn)的輻射功率之比。

有源反射系數(shù)：對(duì)一個(gè)多口天線（或微波器件）而言，其他若干個(gè)相關(guān)端口有激勵(lì)的條件下某個(gè)端口的反射系數(shù)。