天线分集技术

天线的基本功能是天线的基本功能是辐射和接收辐射和接收无线电波无线电波。发射时，把高频电流转换为电发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流。为高频电流。根据电磁场理论，当导体通根据电磁场理论，当导体通过高频电流时会在周围空间产生过高频电流时会在周围空间产生电场和磁场。电场和磁场。当导体长度足够大（能够当导体长度足够大（能够与波长相比拟时），就能使电磁与波长相比拟时），就能使电磁波有效辐射出去；波有效辐射出去；电磁波从发射天线辐射出来后，电磁波从发射天线辐射出来后，向四面传播出去形成电磁场。向四面传播出去形成电磁场。在交变电磁场中放置一导线，在在交变电磁场中放置一导线，在电磁波的作用下，导线会产生感应电磁波的作用下，导线会产生感应电动势。电动势。该导线与接收设备相连，在接收该导线与接收设备相连，在接收设备的输入端就会产生高频电流。设备的输入端就会产生高频电流。发信天线和收信天线都属于能发信天线和收信天线都属于能量变换器，具有量变换器，具有“可逆性可逆性”；天线用作天线用作发信时的参数和收信发信时的参数和收信时的参数保持不变时的参数保持不变，这就是天，这就是天线的互易原理。线的互易原理。移动通信中讨论天线的性能主要关移动通信中讨论天线的性能主要关心其心其信号覆盖范围信号覆盖范围和和辐射强度辐射强度。决定天线性能因素有些与天线本身决定天线性能因素有些与天线本身无关，如天线架设高度等。无关，如天线架设高度等。有些因素与天线的设计生产工艺相有些因素与天线的设计生产工艺相关，这些因素称为关，这些因素称为天线参数。天线参数。方向图方向图效率效率增益增益输入阻抗输入阻抗工作频带工作频带极化方式极化方式天线对空间不同方向具有不同的辐天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向射或接收能力，这就是天线的方向性。性。在水平面上，辐射与接收无最大方在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为向的天线称为全向天线全向天线，有一个或，有一个或多个最大方向的天线称为多个最大方向的天线称为定向天线定向天线。用来表示天线的辐射或接收强用来表示天线的辐射或接收强度随空间方向的对应关系。度随空间方向的对应关系。全向天线由全向天线由于其无方向于其无方向性，所以常性，所以常用在用在一点对一点对多点通信的多点通信的中心台中心台。定向天线具有定向天线具有最大辐射或接最大辐射或接收方向，因此收方向，因此能量集中，增能量集中，增益相对较高，益相对较高，适合于适合于远距离远距离点对点通信点对点通信。天线方向图的最大辐射功率所天线方向图的最大辐射功率所在的波瓣称为在的波瓣称为主瓣主瓣，其余为副，其余为副瓣；瓣；主瓣最大辐射方向两侧，辐射主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低强度降低3 dB的两点间的夹角的两点间的夹角定义为定义为波瓣宽度波瓣宽度。全向天线的水平波瓣宽度为全向天线的水平波瓣宽度为360度度主主瓣瓣第第一一副副瓣瓣后后瓣瓣基站定向天线的基站定向天线的垂直波瓣宽度垂直波瓣宽度为为10度度左右；左右；对于同一种类的天线，增益相对于同一种类的天线，增益相同时，同时，水平波瓣越宽，垂直波水平波瓣越宽，垂直波瓣就越窄；瓣就越窄；较窄的垂直波瓣会在基站近端较窄的垂直波瓣会在基站近端产生信号产生信号“死区死区”。限制信号在所服务的小区限制信号在所服务的小区范围内，减小范围内，减小“死区死区”，降低，降低对其它小区的干扰。对其它小区的干扰。机械下倾：机械下倾：小于小于10度度电调下倾：电调下倾：角度可调，后瓣同角度可调，后瓣同时下倾时下倾天线效率定义为：天线效率定义为：天线辐射功率天线辐射功率Pr与天线输入功率与天线输入功率Pin之比之比；天线辐射功率与所消耗的功率天线辐射功率与所消耗的功率Ps之和为输入功率。之和为输入功率。天线增益系数是方向系数与天线天线增益系数是方向系数与天线效率的乘积，效率的乘积，方向图主瓣越窄，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益就越高副瓣越小，增益就越高。在同等条件下，天线增益越高，在同等条件下，天线增益越高，电波传播的距离越远，一般基地电波传播的距离越远，一般基地台天线都采用高增益天线，台天线都采用高增益天线，天线的输入阻抗为天线的输入阻抗为输入端电压输入端电压与输入端电流之比与输入端电流之比。为使天线能获得最大的功率，为使天线能获得最大的功率，应使天线输入阻抗与馈线特性应使天线输入阻抗与馈线特性阻抗匹配。阻抗匹配。天线的各种电性能参数不超过允天线的各种电性能参数不超过允许范围时，所对应的工作频率宽许范围时，所对应的工作频率宽度即为天线工作频带。度即为天线工作频带。对频分双工的收发共用天线，必对频分双工的收发共用天线，必须考虑天线的工作频带宽度。须考虑天线的工作频带宽度。分为线极化天线、圆极化天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线；和椭圆极化天线；基站多采用线极化方式，又分基站多采用线极化方式，又分为为垂直极化垂直极化和和水平极化水平极化方式；方式；按工作频段分：短波、超短按工作频段分：短波、超短波、微波波、微波按用途分：按用途分：基地台、移动台基地台、移动台按方向性分：按方向性分：全向、定向全向、定向按结构分：按结构分：线状、面状、天线状、面状、天线阵列线阵列鞭天线鞭天线（顶端加载）（顶端加载）双匝环天线双匝环天线三匝环天线三匝环天线斜天线斜天线双极天线双极天线，笼形天线，笼形天线菱形天线菱形天线行波天线行波天线基地固定式通信设备天线，主要基地固定式通信设备天线，主要有有全向天线全向天线和和定向天线定向天线两种；两种；受通信范围要求，基地固定式天受通信范围要求，基地固定式天线一般采取高架。线一般采取高架。半波偶极子天线：半波偶极子天线：将半波振子垂将半波振子垂直排列组成，水平方向图不变，垂直排列组成，水平方向图不变，垂直方向性将增强；可以是二单元、直方向性将增强；可以是二单元、四单元或六单元。四单元或六单元。直立鞭天线直立鞭天线同轴偶极天线同轴偶极天线布朗天线布朗天线用于扇形的信号覆盖，在移动通用于扇形的信号覆盖，在移动通信中也称信中也称扇区天线扇区天线；天线增益更高，有利于控制天线天线增益更高，有利于控制天线覆盖范围，减小对邻近小区的影响。覆盖范围，减小对邻近小区的影响。角反射天线角反射天线板式天线板式天线引向天线（八木天线）引向天线（八木天线）用于用于隧道隧道等特殊环境的覆盖要求；等特殊环境的覆盖要求；场强分布均匀、可控性高，工作频带场强分布均匀、可控性高，工作频带宽、兼容性好。宽、兼容性好。车载台天线：吸盘鞭天线车载台天线：吸盘鞭天线手持台天线：螺旋鞭天线、环形手持台天线：螺旋鞭天线、环形天线天线选择天线架设位置应注意的问题：选择天线架设位置应注意的问题：1、天线的发射或接收方向应避开障碍物（楼房、天线的发射或接收方向应避开障碍物（楼房、铁塔、桥梁等）；铁塔、桥梁等）；2、天线架设地点应尽量远离干扰源（高压线、天线架设地点应尽量远离干扰源（高压线、航线、铁塔、公路等）；航线、铁塔、公路等）；3、天线应尽量架设在附近的制高点：天线应尽量架设在附近的制高点：4、若几付天线同时工作，应特别注意左右和上若几付天线同时工作，应特别注意左右和上下的间距，防止耦合干扰。下的间距，防止耦合干扰。在发射机和天馈系统之间串接通在发射机和天馈系统之间串接通过式功率计，检验发射机功率和反过式功率计，检验发射机功率和反射功率的大小；射功率的大小；通过驻波比检测来判断天馈系统通过驻波比检测来判断天馈系统是否正常。是否正常。天线与馈电线主要是靠连接器连天线与馈电线主要是靠连接器连接，采用防水胶泥和防水胶带进行接，采用防水胶泥和防水胶带进行密封密封馈线进入室内处弯一个返水弯，馈线进入室内处弯一个返水弯，避免雨水沿馈线进入室内。避免雨水沿馈线进入室内。基站天线附近要装置基站天线附近要装置避雷针避雷针。避雷针在可能条件下应尽量远离天线，以免影避雷针在可能条件下应尽量远离天线，以免影响天线方向性；响天线方向性；保护角应小于保护角应小于45o；避雷针一定要连接大地避雷针一定要连接大地天馈线上串接天馈线上串接防雷器。防雷器。分集接收分集接收是指接收端对它是指接收端对它收到的经过多个相互独立路径收到的经过多个相互独立路径传输的信号进行特定的处理来传输的信号进行特定的处理来减小衰落的深度与持续时间的减小衰落的深度与持续时间的方法。方法。t如果一条无线传播路径中的信号如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包含着较强的信立的路径中可能仍包含着较强的信号。号。分散传输：分散传输：使接收端能获得多使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；的衰落信号；集中处理：集中处理：把收到的多个统计把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。低衰落的影响。宏分集：宏分集：减小大尺度衰落的分减小大尺度衰落的分集技术；集技术；“多基站多基站”分集分集 微分集：微分集：减小小尺度衰落影响减小小尺度衰落影响的分集技术。的分集技术。空间分集空间分集时间分集时间分集频率分集频率分集极化极化 分集分集场分量分集场分量分集角度分集角度分集 v空间分集的依据在于空间分集的依据在于快衰落的空间独立性快衰落的空间独立性。v空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线，间隔距离的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中，线高度有关，在移动信道中，通常取：通常取：市区市区 d=0.5郊区郊区 d=0.8天线天线切换切换逻辑逻辑或解或解调器调器输出输出1G1G1G12m可变增益可变增益频率分集方式是指用两个或两个频率分集方式是指用两个或两个以上的频率来传送相同的信息的以上的频率来传送相同的信息的方式。方式。频率分集的工作原理是基于在频率分集的工作原理是基于在信信道相干带宽之外的频率上不会出道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落。现同样的衰落。v基本工作原理：空中基本工作原理：空中的的水平极化水平极化和垂直极化路径是非相关的。和垂直极化路径是非相关的。v使用水平和垂直两个正交的分集使用水平和垂直两个正交的分集支路，支路，也称也称正交极化分集正交极化分集；v可看作是一种可看作是一种特殊的空间分集方特殊的空间分集方式式，只使用两副天线，且天线间距，只使用两副天线，且天线间距缩短缩短。电磁波的电磁波的E场和场和H场载有相同的消息，场载有相同的消息，而反射机理不同，是互不相关的；而反射机理不同，是互不相关的；场分量分集不要求天线间有实体上的场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，间隔，可用于较低工作频段可用于较低工作频段，而当工，而当工作频率较高时，可以容易地实现空间作频率较高时，可以容易地实现空间分集。分集。使电波通过几个不同路径，并以不同使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端；而接收端利用角度到达接收端；而接收端利用多个多个方向性尖锐的接收天线方向性尖锐的接收天线分离出不同方分离出不同方向来的信号分量；向来的信号分量；这些分量具有互相独立的衰落特性，这些分量具有互相独立的衰落特性，因而可以实现角度分集。因而可以实现角度分集。以超过信道相干时间的间隔重复发送以超过信道相干时间的间隔重复发送相同的信号的相同的信号的分集分集方式。方式。工作原理工作原理：在在相干时间之外的信号不相干时间之外的信号不会出现同样的衰落会出现同样的衰落，也就是说各次发，也就是说各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的；送信号所出现的衰落将是彼此独立的；有利于克服移动信道中因多普勒效应有利于克服移动信道中因多普勒效应引起的衰落现象。引起的衰落现象。对接收到的多个分集信号，进行对接收到的多个分集信号，进行合并处理，减小衰落对信号传输合并处理，减小衰落对信号传输的影响；的影响；一般都使用线性合并器，其通用一般都使用线性合并器，其通用合并信号表达式为：合并信号表达式为：MkkkMMtratratratratr12211)()()()()(检测所有分集支路的信号，检测所有分集支路的信号，选选择其中信噪比最高的那一个支择其中信噪比最高的那一个支路的信号路的信号作为合并器的输出。作为合并器的输出。信号表达式中的加权系数只有信号表达式中的加权系数只有一项为一项为1，其余均为，其余均为0。接收机 1接收机 2是最佳合并方式；是最佳合并方式；每一支路的每一支路的加权系数加权系数ak与信号包络与信号包络rk成成正比而与噪声功率正比而与噪声功率Nk成反比，即为：成反比，即为：kbkNra MkkkMkkkRNrrar121输出信号包络为输出信号包络为接收机 1接收机 1Mk 1Nkrk2a2a1无需对信号加权，无需对信号加权，各支路的信号等各支路的信号等增益相加，增益相加，输出的信号包络为：输出的信号包络为：MkkErr1接收机 1接收机 1Mk=1rk在相同分集重数情况下，在相同分集重数情况下，最大比值合并最大比值合并方方式改善信噪比最多，等增益合并方式次之；式改善信噪比最多，等增益合并方式次之；在分集重数较小时，在分集重数较小时，等增益合并等增益合并的信噪比的信噪比改善接近最大比值合并，是一种较实用的改善接近最大比值合并，是一种较实用的合并方式；合并方式；选择式合并选择式合并只利用了最强的一路信号，而只利用了最强的一路信号，而其它各支路信号都没有被利用，所得到的其它各支路信号都没有被利用，所得到的信噪比改善量最少。信噪比改善量最少。利用信号设计技术，将分集作用隐利用信号设计技术，将分集作用隐含在被传输的信号中，称为含在被传输的信号中，称为隐分集隐分集；常见的隐分集方式：常见的隐分集方式：交织编码交织编码 Rake接收技术：多径分集（码分集）接收技术：多径分集（码分集）基于多径信号的时间延迟扩展；基于多径信号的时间延迟扩展；若若接收的多径信号可以分离接收的多径信号可以分离，将其分，将其分别接收后再合并起来，可以增加有用别接收后再合并起来，可以增加有用信号的能量，减小码间串扰；信号的能量，减小码间串扰；只有只有特定的信号特定的信号才能够实现多径信号才能够实现多径信号的分离。的分离。扩频信号扩频信号分离方法：相关接收分离方法：相关接收在扩频通信中，利用伪随机码的在扩频通信中，利用伪随机码的相关特性，对接收信号中相关特性，对接收信号中可分辨可分辨的多径分量分别进行跟踪、接收，的多径分量分别进行跟踪、接收，对输出基带信号进行合并，这种对输出基带信号进行合并，这种接收方式称为接收方式称为Rake接收接收。对多径信号检测获得的多个相互独立的对多径信号检测获得的多个相互独立的信号进行采样，并以适当的方式合并这信号进行采样，并以适当的方式合并这些采样值。些采样值。常用的合并准则：常用的合并准则：最大信噪比准则最大信噪比准则自适应合并准则自适应合并准则最强路径准则最强路径准则等增益合并准则等增益合并准则信号搜寻A/D相关器1相关器2相关器3合 并IF信号去交织利用线性系统的互易原理，将基利用线性系统的互易原理，将基站的站的分集接收等效地搬至发送端实分集接收等效地搬至发送端实现现，改善移动台的接收性能。，改善移动台的接收性能。移动信道是一个复杂的非线性系移动信道是一个复杂的非线性系统，但一般也可看作近似的线性时统，但一般也可看作近似的线性时变系统。变系统。