李曉明，董健，劉旸，李卓

（1 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司, 石家莊 050021; 2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)河北有限公司石家莊分公司, 石家莊 050011）

1 引言

城市化進(jìn)程中，城區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大量高層建筑密集的商業(yè)區(qū)和高容積率住宅小區(qū)，現(xiàn)有的移動(dòng)通信無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不能對(duì)這類(lèi)區(qū)域進(jìn)行良好覆蓋，導(dǎo)致移動(dòng)用戶(hù)在這類(lèi)區(qū)域內(nèi)經(jīng)常遇到無(wú)線(xiàn)信號(hào)不好、無(wú)法接通或通話(huà)質(zhì)量差等情況。為了解決這類(lèi)覆蓋問(wèn)題，需要進(jìn)行大量的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。要么是增加基站數(shù)量或者增加天線(xiàn)數(shù)量，但這樣帶來(lái)了選站困難、維護(hù)困難等一系列問(wèn)題。再就是在高層建筑物內(nèi)安裝分布天線(xiàn)，但缺點(diǎn)是在實(shí)施過(guò)程中需要業(yè)主配合，建設(shè)和維護(hù)難度大，結(jié)果是大量室內(nèi)分布沒(méi)有處在良好工作狀態(tài)。

圖1 典型8陣元智能天線(xiàn)結(jié)構(gòu)、饋電和場(chǎng)圖

本文針對(duì)高層建筑密集區(qū)域覆蓋的特點(diǎn)，提出適合此類(lèi)場(chǎng)景的新型天線(xiàn)結(jié)構(gòu)和覆蓋方法，可以降低成本和工程量，能夠有效保證網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋。

2 智能天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)與基本原理

現(xiàn)有8通道垂直極化智能天線(xiàn)結(jié)構(gòu)和饋電方式如圖1所示，相當(dāng)于8個(gè)垂直極化天線(xiàn)（陣元）排成一排；陣元由并聯(lián)饋電的振子組成。

智能天線(xiàn)可工作在兩種工作模式：（1）廣播波束覆蓋整個(gè)小區(qū)，使小區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)終端始終與基站保持聯(lián)系；（2）業(yè)務(wù)波束為窄波束可在水平方向廣播波束覆蓋范圍內(nèi)掃描，其能量集中并指向通信業(yè)務(wù)的移動(dòng)終端。波束場(chǎng)圖見(jiàn)圖1(b)，在垂直方向上是不可調(diào)整的只有7°～8°窄波束；業(yè)務(wù)波束在水平方向上掃描。直接用這種智能天線(xiàn)很難覆蓋高層建筑密集區(qū)域。

3 新結(jié)構(gòu)的智能天線(xiàn)

3.1 結(jié)構(gòu)說(shuō)明

本文提出一種新結(jié)構(gòu)智能天線(xiàn)如圖2(a)所示。陣元橫向，其中振子垂直極化，每個(gè)陣元連接一個(gè)信號(hào)放大器的輸入輸出通道，不同陣元中相同列上的各個(gè)振子可以同步調(diào)整相位，構(gòu)成智能天線(xiàn)。

圖2 新型智能天線(xiàn)中振子、陣元的排列位置和饋電方法

波束調(diào)整方法：（1）通過(guò)改變各陣元激勵(lì)信號(hào)的大小和相位來(lái)調(diào)整垂直方向上的場(chǎng)圖作為廣播波束；（2）根據(jù)這個(gè)場(chǎng)圖范圍內(nèi)天線(xiàn)接收到信號(hào)在各個(gè)陣元上不同的強(qiáng)度和相位權(quán)值組合確定發(fā)射信號(hào)的權(quán)值組合作為業(yè)務(wù)波束，賦形出跟蹤接收信號(hào)方向的窄波束；（3）通過(guò)同步調(diào)整不同陣元中相同列上的各個(gè)振子相位來(lái)調(diào)整水平方向上的場(chǎng)圖波束寬窄。

3.2 實(shí)現(xiàn)高樓密集區(qū)覆蓋方法

新型智能天線(xiàn)覆蓋某一高層建筑時(shí)，可以安裝到該建筑的對(duì)面，對(duì)整個(gè)高層建筑進(jìn)行覆蓋通信，見(jiàn)圖3。根據(jù)樓高和天線(xiàn)安裝位置，確定垂直面天線(xiàn)的廣播波束場(chǎng)圖形狀和偏轉(zhuǎn)方向，保證覆蓋該樓的從下到上；調(diào)整方式是修改垂直面廣播波束權(quán)值。

圖3 新型智能天線(xiàn)覆蓋高樓應(yīng)用示意圖

根據(jù)樓體寬度需要覆蓋區(qū)域的實(shí)際情況選用合適的出廠(chǎng)時(shí)定制的水平面波束寬度的天線(xiàn)，也可以采用帶有手動(dòng)（或電調(diào)）同步調(diào)節(jié)各列振子相位功能，調(diào)整到合適的方向角和波束寬度，避免波束太窄造成的欠覆蓋或波束過(guò)寬引起過(guò)覆蓋干擾其他小區(qū)。

天線(xiàn)接收用戶(hù)信號(hào)后，業(yè)務(wù)波束會(huì)根據(jù)用戶(hù)終端處在樓頂層還是樓底層或某一樓層，調(diào)整波束權(quán)值，進(jìn)而業(yè)務(wù)波束指向該終端，實(shí)現(xiàn)了垂直方向的掃描。例如，在TD-SCDMA系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，在需要廣播波束的時(shí)隙內(nèi)通道信號(hào)權(quán)值可使垂直面場(chǎng)圖形狀滿(mǎn)足覆蓋高樓的從下到上。在業(yè)務(wù)波束時(shí)隙內(nèi)通道放大器根據(jù)接收到處于該樓某層的終端來(lái)波的波束權(quán)值設(shè)置下行波束權(quán)值，可使垂直面業(yè)務(wù)波束形成窄波束跟蹤終端用戶(hù)。

4 新型智能天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)技術(shù)原理及仿真驗(yàn)證

4.1 垂直面場(chǎng)圖的實(shí)現(xiàn)原理及仿真

首先介紹垂直面場(chǎng)圖實(shí)現(xiàn)原理，計(jì)算并推導(dǎo)出新型智能天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)垂直面場(chǎng)圖是變化的，分為廣播波束的寬范圍場(chǎng)圖和業(yè)務(wù)波束的窄波束場(chǎng)圖，且業(yè)務(wù)波束的窄波束場(chǎng)圖根據(jù)需要可在廣播波束場(chǎng)圖范圍內(nèi)垂直方向掃描。

根據(jù)該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖2(a)，每個(gè)垂直極化振子安放在一條條水平直線(xiàn)上排列。一旦將振子固定在天線(xiàn)反射板上，振子之間的相對(duì)位置就固定下來(lái)了，從下面向上一行一行固定好，每一行振子并聯(lián)饋電構(gòu)成一個(gè)天線(xiàn)陣元，接放大器通道，構(gòu)成多通道智能天線(xiàn)。每個(gè)通道電信號(hào)幅值和相位是獨(dú)立的，但是天線(xiàn)整體的電磁波是由各個(gè)陣元電信號(hào)矢量疊加的結(jié)果。

在垂直面觀察時(shí)，每個(gè)陣元可用類(lèi)似振子的行為考慮，見(jiàn)圖2(b)，黑點(diǎn)作為每個(gè)陣元從下向上排列。以最下面的第一行的陣元編號(hào)為0起，向上順序編號(hào)。遠(yuǎn)方傳來(lái)的電磁波（可視為平面波），空域上到達(dá)各個(gè)陣元時(shí)所走的距離不同，以垂直于天線(xiàn)陣列組成的平面入射方向?yàn)?°方向，順時(shí)針計(jì)算夾角，各編號(hào)陣元入射波相對(duì)0號(hào)陣元的波程差分別為Δdm，m=0，1，2，3….，設(shè)陣元相距λ/2，因此，Δdm＝m·λ/2·sinθ，具體數(shù)值計(jì)算如下：

1號(hào)陣元：λ/2·sinθ (θ為入射波夾角)

2號(hào)陣元：2·λ/2·sinθ

3號(hào)陣元：3·λ/2·sinθ

……

時(shí)域上入射波的相位差為：（2π/λ）Δdm。可見(jiàn)，空間上距離的差別導(dǎo)致了各個(gè)陣元上的接收信號(hào)相位的不同。經(jīng)過(guò)加權(quán)后整個(gè)天線(xiàn)得到的信號(hào)為：

結(jié)論：選擇不同的BM、，將改變垂直面波束所對(duì)應(yīng)的角度和形狀。所以可以通過(guò)改變通道信號(hào)權(quán)值（包括幅值、相位）來(lái)選擇合適的垂直面波束形狀和方向作為廣播波束場(chǎng)圖，由于廣播波束要照顧覆蓋到所有覆蓋區(qū)域內(nèi)每一個(gè)終端用戶(hù)，所以權(quán)值的取定一定要使波束寬度適應(yīng)覆蓋區(qū)域。天線(xiàn)在業(yè)務(wù)應(yīng)用中可以根據(jù)終端來(lái)波方向和形狀，取對(duì)應(yīng)的權(quán)值應(yīng)用于去波，作為變動(dòng)的業(yè)務(wù)波束場(chǎng)圖，由于此時(shí)針對(duì)個(gè)別用戶(hù)方向所以對(duì)應(yīng)的權(quán)值一定是天線(xiàn)在此方向的最窄波束。

由此證明并推導(dǎo)出新型智能天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)垂直面場(chǎng)圖是變化的，分為廣播波束寬范圍場(chǎng)圖和業(yè)務(wù)波束的窄波束場(chǎng)圖，且業(yè)務(wù)波束的窄波束場(chǎng)圖根據(jù)需要可在廣播波束場(chǎng)圖范圍內(nèi)垂直方向掃描。

新型智能天線(xiàn)的仿真模型如下（以N=4、M=4為例），如圖4(a)所示。位置說(shuō)明：yOz平面為平行于地面，xOz平面為垂直于地面。水平方圖在yOz平面，垂直方向圖在xOz平面。

下面仿真給出兩種模式的垂直方向場(chǎng)圖（廣播波束和業(yè)務(wù)波束）。

（1） 廣播波束場(chǎng)圖。實(shí)驗(yàn)1——垂直方向均設(shè)置為“寬波束”，在垂直方向?qū)崿F(xiàn)“寬”覆蓋，加大了覆蓋的角度，達(dá)到高層覆蓋的效果。即在垂直方向選擇寬波束，覆蓋高層建筑等特定場(chǎng)景。經(jīng)過(guò)HFSS軟件仿真，得到天線(xiàn)的三維場(chǎng)圖，見(jiàn)圖4(b)。設(shè)定此權(quán)值時(shí)垂直和水平方向均為寬角度，適合高層大樓的覆蓋

（2）業(yè)務(wù)波束場(chǎng)圖。實(shí)驗(yàn)2——垂直均設(shè)置為“窄波束”?？梢愿櫽脩?hù)在垂直方向進(jìn)行掃描。經(jīng)過(guò)HFSS軟件仿真，得到天線(xiàn)的三維場(chǎng)圖，見(jiàn)圖4(c)?？梢钥闯龃怪狈较?yàn)檎嵌龋m合垂直方向業(yè)務(wù)掃描。

圖4 新型智能天線(xiàn)仿真模型和所得到垂直面廣播波束與業(yè)務(wù)波束

4.2 水平面場(chǎng)圖的實(shí)現(xiàn)原理及仿真

計(jì)算并推導(dǎo)出新型智能天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)水平面場(chǎng)圖，具有一定寬度可調(diào)，且相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)圖。

由上敘述已知振子之間的相對(duì)位置固定，但是，可以利用容抗或感抗電路使不同陣元中相同列上的垂直極化振子同步增減相位，獲得天線(xiàn)波束調(diào)整方法。

以圖5(a)中的黑點(diǎn)作為不同陣元中相同列上的各個(gè)垂直極化振子的代表，以各陣元最右側(cè)第一個(gè)振子（代表第一列）編號(hào)為0起。天線(xiàn)向遠(yuǎn)方傳遞電磁波（在遠(yuǎn)方可視為平面波），空域上到達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)手機(jī)用戶(hù)點(diǎn)，陣元中各列振子所走的距離不同。以垂直于天線(xiàn)陣列組成的平面垂直方向?yàn)?°方向，順時(shí)針計(jì)算夾角，各編號(hào)列振子發(fā)射波相對(duì)0號(hào)列振子的行程距離差分別為Δdm，m=0，1，2，3…，設(shè)列振子在水平方向上相距λ/2，因此，Δdm=m·λ/2·sinθ，具體數(shù)值計(jì)算如下：

圖5 陣列振子排列示意圖和水平面場(chǎng)圖仿真結(jié)果

1 號(hào)列振子：λ/ 2·sinθ(為發(fā)射波夾角)

2號(hào)列振子：2·λ/2·sinθ

3號(hào)列振子：3·λ/2·sinθ

……

時(shí)域上波程相位差為：（2π/λ）Δdm。可見(jiàn)，空間上距離的差別導(dǎo)換成各列振子上的信號(hào)相位的不同。經(jīng)過(guò)加權(quán)后整個(gè)天線(xiàn)的輸出端的信號(hào)為：

其中，A為增益常數(shù)，s(t)是復(fù)包絡(luò)信號(hào)，WM是陣列振子的權(quán)因子。根據(jù)正弦波的疊加效果，假設(shè)各個(gè)振子的加權(quán)因子為：

WM＝ejMπsinφM，則

結(jié)論：各列振子排列時(shí)選擇不同的間距可得到列振子間不同的波程差（即天線(xiàn)出廠(chǎng)前安裝后可獲得固定的水平面不同的波束寬度和不同方向的波束），或通過(guò)容抗或感抗電路改變各個(gè)列振子輸入信號(hào)的相位，如差值為φM，將改變波束Z(t)所對(duì)應(yīng)的角度和波包絡(luò)的形狀。利用這個(gè)原理，可以在天線(xiàn)出廠(chǎng)時(shí)制作出天線(xiàn)在水平面有側(cè)向角或不同寬度的天線(xiàn)，或通過(guò)拉桿調(diào)諧器改變列振子輸入相位的物理辦法改變水平面波束寬度或方向，在應(yīng)用場(chǎng)地手動(dòng)調(diào)節(jié)（或電調(diào)）適應(yīng)該場(chǎng)景的覆蓋需求。由于其他各行天線(xiàn)振子的排列和調(diào)節(jié)全部參照第一行的方式同步調(diào)整，最后將所有振子的信號(hào)進(jìn)行同項(xiàng)合并，達(dá)到使整個(gè)天線(xiàn)輻射水平面方向圖得到設(shè)定和調(diào)節(jié)，且一旦定好就不再頻繁改動(dòng)。由此證明并推導(dǎo)出新型智能天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)水平面場(chǎng)圖設(shè)定，具有一定寬度可調(diào)，且相對(duì)穩(wěn)定的場(chǎng)圖的原理。

仿真條件同垂直面場(chǎng)圖的仿真。在廣播波束權(quán)值確定的前提下，通過(guò)原理分析可知，水平場(chǎng)圖是穩(wěn)定的。對(duì)應(yīng)于業(yè)務(wù)波束時(shí)，由于涉及到業(yè)務(wù)波束掃描，水平場(chǎng)圖會(huì)有微小變化,仿真結(jié)果見(jiàn)圖5(b)。

5 結(jié)論

本文給出水平陣元，垂直極化振子，按列同步調(diào)整的智能天線(xiàn)結(jié)構(gòu)；推導(dǎo)并仿真驗(yàn)證了垂直面調(diào)整廣播波束、業(yè)務(wù)波束跟蹤的實(shí)現(xiàn)原理，水平面波束寬度和方向的調(diào)整原理；介紹了利用該天線(xiàn)針對(duì)高樓覆蓋的方法。該天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是：天線(xiàn)振子仍然垂直極化，保證了垂直極化的電磁波傳播優(yōu)勢(shì)，當(dāng)然在該結(jié)構(gòu)中每個(gè)振子位置也可以采用雙極化振子排列，獲得極化增益；從下到上多行陣元排列，可以通過(guò)改變陣元通道信號(hào)的幅值和相位獲得適應(yīng)不同樓高的垂直面廣播波束場(chǎng)圖的波束寬度調(diào)節(jié)，改變傳統(tǒng)智能天線(xiàn)垂直面固定窄波束模式；可以根據(jù)不同樓層終端來(lái)波方向自動(dòng)設(shè)置陣元通道信號(hào)的幅值和相位獲得賦形業(yè)務(wù)窄波束去波方向，從而達(dá)到降低干擾、提高容量、降低能耗的效果，改變傳統(tǒng)智能天線(xiàn)業(yè)務(wù)波束掃描只是水平方向不適應(yīng)高層覆蓋；按列同步調(diào)整列振子相位實(shí)現(xiàn)水平方向調(diào)整波束寬度和方向，適應(yīng)不同寬度的樓體，改變傳統(tǒng)智能天線(xiàn)只能在垂直面電下傾的單一方式。由于提供多種調(diào)節(jié)技術(shù)，對(duì)天線(xiàn)安裝地點(diǎn)的要求降低，從而降低選站和工程施工難度，節(jié)省工時(shí)；也為隱蔽天線(xiàn)或美化天線(xiàn)提供基礎(chǔ)天線(xiàn)。該天線(xiàn)解決目前乃至未來(lái)出現(xiàn)大量高樓密集商業(yè)區(qū)和高容積率商品住宅小區(qū)越來(lái)越困難的覆蓋問(wèn)題；增強(qiáng)人們對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)深度覆蓋和商用的信心以及體驗(yàn)它的優(yōu)勢(shì)；為未來(lái)TD-LTE系統(tǒng)分布式覆蓋組成大網(wǎng)，覆蓋高樓密集區(qū)提前作好準(zhǔn)備。

[1]李世鶴. TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京：人民郵電出版社，2003.

[2]YD/T1710.1. TD-SCDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)智能天線(xiàn)第1部分：天線(xiàn)[S]，2007.

[3]Blans J J, Schmalenberger R, Papathanassiou A, et al. Smart antenna concepts for time-slotted CDMA[A]. Proc IEEE Vehicular Technology Conference[C]. Phoenix, AZ, USA, May 1997,vol.1,11-15.

[4]中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán). 中國(guó)移動(dòng)擴(kuò)大的TD-SCDMA規(guī)模網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化指導(dǎo)手冊(cè)[S]

[5]李曉明，盧鳳暉，劉旸. 緊湊型TD-SCDMA智能天線(xiàn)仿真性能分析[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2008,(10).

[6]李曉明. TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線(xiàn)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)[J].電信技術(shù)，2008,(3).