智能天线使用手册

1、引言

1.1、智能天线的基本功能

1.1.1）智能天线定义

N 列取向相同的天线按照一定方式排列和激励，利用波的干涉原理形成预定波束的阵列结构天线。

1.1.2）智能天线基本功能

智能天线可以通过改变各天线阵列的激励，其中激励包含幅值和相位，利用波的干涉原理形成预定波束。同时，TD-SCDMA智能天线接入到TD-SCDMA基站后，通过基站的实时自适应信号处理算法，能够自动地产生多个窄波束方向图，实现对移动用户的波束跟踪，并自动地抑制干扰方向的副瓣电平。从而降低了系统的干扰，提高了系统容量，达到空分多址的目的。

1.2、智能天线与GSM天线的区别

1.2.1）结构组成区别

智能天线由两个或以上天线阵列组成，而GSM系统天线只由一个天线阵列构成。如图3、4所示：

8列单极化智能天线 GSM单极化天线

图3

8通道双极化智能天线 GSM双极化天线

图4

1.2.2）功能区别

智能天线可以通过改变各天线阵列的激励，利用波的干涉原理形成预定波束。而GSM天线只有一个阵列，其波束在设计时已确定，出厂后不可改变。

2、智能天线的分类

2.1、全向天线

在360°任意方位上均可进行波束扫描的智能天线阵列。

2.2、定向单极化天线

特指采用单极化辐射单元，组成定向阵列，可以在特定方向内进行波束扫描的天线阵列。

2.3、定向双极化天线

特指采用双极化辐射单元，组成定向阵列，可以在特定方向内进行波束扫描的天线阵列。

2.4、未来发展前瞻

总结一期试验网的经验，业内对智能天线提出了“四化”的要求，即双极化、宽带化、小型化和电调化。根据目前智能天线行业发展状况，双极化及小型化已经基本实现，并大量应用于二期建网中；宽带化及电调化也在紧锣密鼓的进行中，并且是未来发展的一个重要趋势，除此之外，rru一体化智能天线也是未来发展的一项重要技术。详细分析如下：

2007年初，我国十城市TD-SCDMA试验网络开始建设，当时，智能天线产

品只有单极化板状定向智能天线阵和环状全向智能天线阵两种可供选择。虽然基本上能够满足TD-SCDMA网络实现动态空间滤波对智能天线的电气性能要求，但随着网络建设的深入，在工程实施方面遇到了诸多亟待解决的挑战：

1）天线横截面积大，导致风载荷增加、安全等级下降；2）天线体积大，公众时有抵触情节，选址难度增加；3）网络优化需要闭站，且天线下倾角调节难度大；4）智能天线与城市景观不融洽、不和谐。5）天线与rru之间接线复杂，工程量大，线损大，难于隐蔽等缺点。

应对第1、2点挑战，要求发展小型化智能天线，实现小型化的最佳途径是，采用4列双极化阵列，通过引入极化分集增益来弥补因天线口径减少而引起的天线增益下降。实验室测试和网络规模试用都表明，小型化的双极化智能天线，其宽度减小了一半，但网络性能与常规8列天线水平相当，已经成为第二期TD-SCDMA网络建设的主力产品之一。

应对第3、4点挑战，要求发展双极化的电调智能天线。首先TD-SCDMA 网络同CDMA网络、WCDMA网络一样，也存在呼吸效应。CDMA和WCDMA网络的实践表明，在解决呼吸效应方面，采用电调天线对覆盖蜂窝实施动态调整是最有效的方法，国外的WCDMA网络电调天线的使用量均超过了75%。其次，政府和公众都预期对3G网络覆盖功率密度能够和用户数量及数据流量实现动态匹配，从而达到节能环保及减少电磁辐射污染的目的。第三，TD-SCDMA网络的动态空间滤波和功率调配优势，在通信容量极高的城区可以得到淋漓尽致的发挥，但城区布网的特点是蜂窝较密，需要大量采用大倾角波束指向，而过大的机械下倾角会带来严重的波束畸变，造成同频干扰。第四，许多站址需要美化、隐蔽及环境和谐，如果按照惯性思维采用机械调整下倾角度，则天线整体将占据更大的空间体积，这给隐蔽工作带来更大的困难，无法让公众接受。综上所述，在未来TD-SCDMA网工程建设和优化中，电调智能天线不可避免的登上舞台，成为智能天线技术进一步发展的主旋律。

目前TD-SCDMA网络使用的是2010～2025MHz频段，只有15MHz带宽。对于拥有13亿人口的中国，这远远不够，未来必将启用第二、第三频段，目前规划的是1880～1920MHz，2300～2400MHz。如果天线能够同时满足这三个频段，或者其中两个频段，在未来扩充频段时，就不需要补充天线了。因此，发展宽频带天线，具有重要的经济意义。

应对第5点挑战，要求发展一体化的智能天线。一体化智能天线将rru与智能天线采用盲插式接头结合在一起，天线与RRU无需电缆连接，外形美观，施工便利；减少系统电缆连接，提高系统可靠性；减小射频损耗，提高系统性能；方便安装、拆装，安装时间降低90％，便于施工与维护。因此，发展一体化智能天线是非常具有实用意义的。

所以，综合以上分析表明，智能天线的未来发展趋势将是“宽带化、电调化和一体化”。

3、相关基本概念

3.1、单元波束、广播波束、业务波束

单元波束定义为：智能天线单一阵列的接收或者发射的水平面辐射方向图。广播波束定义为：对智能天线阵列施加特定的幅度和相位激励所形成的全向覆盖或扇区覆盖的辐射方向图。

业务波束定义为：对智能天线阵列施加特定的幅度和相位激励所形成的在工作角域内具有任意波束指向扫描以及具有高增益窄波束的方向图。

3.2、波束宽度

波束宽度指波束的主瓣中功率电平下降一半（3dB）的角度范围。

3.3、波束权值

a）什么是权值，什么是TD广播波束权值；

?权值是天线各端口所施加的特定激励信号的量化表示方法，天线端口施加特定激励的目的是为了得到具有特定覆盖效果的方向图。

?TD广播权值是为得到满足特定小区广播信道覆盖的方向图而对各天线端口施加的激励信号，权值可以表示为幅度/相位方式，幅度一般用电压值表示，单位为伏特，（也可以用功率表示，单位：瓦），相位用角度作单位。b）不同厂家天线广播波束权值不同；

?各厂家的单元列方向图因天线内部具体实现结构的不同而存在差异，因为广播波束是在权值作用下各单元列方向图的矢量叠加，单元方向图不同，自然可能存在权值差异；

?即便对于完全相同的单元方向图，因广播波束的要求存在一定范围（比如半功角65±5,60度下降10~15dB），所对应的权值自然也不是唯一的。c）不同类型天线广播波束权值不同，特别是单极化双极化完全不同，简述单极化天线和双极化天线权值的特点；

主要差别是权值数目不同，单极化天线需要8列天线同时工作，对应的权值有16个数值（包括8个幅度和8个相位）；双极化天线只需要4列天线同时工作，对应的权值有8个数值（包括4个幅度和4个相位）。

d）给予同一面天线不同的广播波束权值激励，可以得到不同宽度的广播波束，从而达到用软件调整广播波束宽度的目的；

智能天线基本应用原理就是通过不同权值得到不同的波束（包括业务波束，广播波束），广播波束可以由特定权值实现，不同的权值可以得到不同宽度的广播波束，是智能天线的应用优势，可以不改变硬件，完全使用软件方法实现波束的动态调整。

e）对于同一面天线可能存在若干组不同的广播波束权值，都能够实现对特定宽度（如65度）的广播波束进行赋形，这些组权值可能都是正确的，但只有一组是最优的。

前面提到，不同的天线结构将有不同的单元方向图，权值的作用是对特定的单元方向图进行加权得到满足应用需要的阵列方向图，我们认为绝对最优的解是不能得到的，可以从两方面理解：

（1）“只有更好，没有最好”，“最好”的东西可以被“更好”的超越，权值的获得是不断优化的过程;

（2）存在相对最优权值，但有其存在的前提，(a)针对明确的天线结构，即针对具体的单元列方向图；（b）确定最优的判断标准，是3dB内起伏小，3dB宽度稳定,60度下降稳定或EIRP损耗小等等判断方法，缺乏判断标准的最优是没有意义的，而满足所有标准的权值难于获得,即便暂时获得，也不能断定没有更好的出现。

4、广播波束权值与广播波束赋形的关系

4.1、不同类型智能天线65°广播波束权值与对应方向图

4.1.1、定向单极化天线65°广播波束权值与对应方向图

4.1.2、定向双极化天线65°广播波束权值与对应方向图

极化类型广播波束宽度

权值端口1 端口2 端口3 端口4 端口5 端口6 端口7 端口8 双极化

65 度

幅度∣Ii ∣

0.53 1 1 0.53 0.53 1 1 0.53 相位

-100

方向图

4.2、同一面智能天线加以不同权值激励得到的不同宽度广播波束赋形举例

极化类型广播波束宽度权值端口1 端口2 端口3 端口4 端口5 端口6 端口7 端口8 单极化

65 度

幅度∣Ii ∣

0.50 1.0 1.0 0.71 0.71 1.0 1.0 0.50 相位

128.0

-143.0

-62.0

-31.0

-62.0

-143.0

128.0

方向图

（以双极化天线为例）

4.2.1、30°广播波束的权值与方向图

极化类型广播波束宽度

权值端口

端口

双极化30 度幅度∣Ii∣0.53110.530.53110.53相位-4500-45-4500-45

方向图

4.2.2、65°广播波束的权值与方向图

极化类型广播波束

宽度权值

端

口1

端口

2端口3端口4端口5端口6端口7端口8

双极化65 度幅度∣Ii∣

0.5

3110.530.53110.53相位

-10

000-100-10000-100

方向图

4.2.3、90°广播波束的权值与方向图

4.2.4、其他宽度广播波束举例

极化类

广播波束

权值

端

端口

端口3 端口4

端口5 端口6 端口7 端口8

极化类型广播波束宽度

权值端口1 端口2 端口3 端口4 端口5 端口6 端口7 端口8 双极化

90 度

幅度∣Ii ∣ 0.53 1 1 0.53 0.53 1 1 0.53 相位

-120

方向图

双极化45 度幅度∣Ii∣0.4

5110.450.45110.45

相位-8500-85-8500-85方向图

4.3、错误的广播波束权值应用举例

单极化误用双极化系数

双极化误用单极化系数