时间：2023-11-11 17:00:34
关键词：DVOR-4000 边带天线 模拟旋转 天线切换
中图分类号：V355 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）07（b）-0203-01
甚高频全向信标机（very high frequency omnidirectional range），是目前民航界应用较多的近程方位导航设备之一，一般与测距仪配合安装使用，为民航客机提供方位和距离信息。甚高频全向信标的基本功用是为机载VOR接收机提供一个复杂的无线电信号，经机载VOR接收机解调后，测出地面甚高频全向信标台相对机的磁方位――VOR方位，它是以飞机所在位置的磁北方位为基准，顺时针方向转向飞机与地面VOR信标台之间连线的夹角[1]，并直接显示在飞机的无线电磁指示器上（RMI）。
1 DVOR4000系统描述及边带天线的模拟旋转
1.1 DVOR4000系统
DVOR4000系统可概述分为以下几个部分[2]：发射机（Transmitter），天线转换单元（Antenna Switching Unit），天线系统（Antennas），监视及控制（Monitor），本地及远程通信（Local/Remote communication），电源及其管理（Battery Charging Power Supply）。主要模块功能如下，发射机产生送往天线分配系统的三个频率的信号，即CSB、SB1、SB2，以及产生送往天线分配系统的开关控制信号及相关时序。天线分配单元主要功能为产生边带相位的控制信号与监视信号、监视载波匹配、产生天线切换的定时时钟、产生混合函数信号并调制具有功率的边带信号等。监视与控制系统的功能是监视发射的信号，检测可能存在的有害误差或故障，产生预警或告警，逻辑控制发射机。本地及远程通信模块主要完成的功能有通信控制以及各个单元之间的通信，本地显示控制和本地操作等。电源及其管理则为设备各板块提供用电。
1.2 可变相位信号的形成
在实际运行中，设备预先设定磁北方向为统一的基准零时刻，中央天线辐射的基准相位信号的初相为零；同时，电子开关的控制，使下边带信号从一号天线开始逆时针模拟旋转辐射，上边带信号从一号天线相对应的天线逆时针模拟旋转辐射。这样，磁北方向的可变相位信号和基准相位信号同相。边带旋转辐射形成的多普勒频移为fd，那么，接收机接收的信号频率为（f0+9960Hz）+fd，而下边带由于和上边带对称辐射，形成的接收频率为（f0-9960 Hz）-fd。这样，多普勒效应在每个边带上引起的频率调制的相位是相同的。
为了同时减少天线阵效应的影响，DVOR4000则使用了两个边带辐射信号[2]。天线阵效应是监视天线、载波天线、边带天线在同一条直线上的瞬间，载波矢量的相位和边带矢量的相位方向上是一致的。但是在其他边带天线辐射时，假如与上述直线成90度角的边带天线辐射边带信号的时候，边带的矢量相位与载波矢量相位是不会重合在一起的，会出现一个夹角，这显然是有害的。对于整个天线阵连续辐射信号时的情景，会看到边带合成矢量围绕着载波矢量，在一定的范围内有规律地“摆动”。如果使用一个边带来辐射，虽然定位上（得到方位信息）问题不大，但是信号的稳定性不好，天线阵效应的影响大。而采用上下边带共同、相对辐射，能够较好地减小这些影响。
1.3 边带天线模拟旋转
为了将固定的边带天线辐射变成与旋转边带辐射等同起来，DVOR4000采用了边带天线模拟旋转的方式。实现方法是在一个圆周上同时放置多个固定天线，按一定的时间规律分时、依次对这些天线馈送边带天线辐射信号。对于边带信号来讲，每一时刻最多馈送给相邻的两个天线（总共四个），通过控制相邻两个工作天线的馈电信号强度，使边带信号的有效辐射点在固定的天线位置之间移动，并采取相应的措施，使信号平滑，这样就形成模拟旋转运动。当天线的切换及馈电控制在圆周上循环了一周时，模拟的上、下边带天线辐射点便转动了一周。
1.4 天线切换系统
载波和边带频率由合成器SYN产生，并将输出信号分配到调制器MOD-110和MOD110P，载波F0信号经调制后送往放大器CA-100用于产生CSB信号。调制器MOD110P则产生上下边带信号，均是未经调制的连续波，边带信号进一步的混合调制和天线切换控制都是由DVOR天线切换单元（ASU）完成。CSB、SB1（USB）、SB2（LSB）由发射机系统产生后，送往天线分配单元，载波CSB经相位监视和控制PMC-D后直接由中央天线辐射出去，将USB和LSB送往混合信号发生器BSG-D进一步处理。BSG-D是ASU单元的控制中心，主要功能是产生天线切换的定时时钟、混合函数、生成工作频率完成与发射机送来的30Hz时钟同步工作等。
为了方便说明，此处把混合函数定义为正弦和余弦波形。余弦混合函数用于奇天线，正弦混合函数用于偶天线。当混合函数达到最小值时就切换到下一个天线。模块化设计的天线切换模块（ASM-D）以开关的形式在50个边带天线间交换信号，其中四个ASM-D用于多路复用混合上下边带信号，五个用于奇天线和另五个用于偶天线的ASM-D通过馈线与天线相连。正弦混合的上下边带信号从偶天线发射，余弦混合函数从奇天线发射。相位和监视控制模块（PMC-D）用于抽取不同的RF相位，由于要两次顺序切换25个天线，所以天线切换控制板（ASC-D）必须产生750Hz的切换频率。每个ASM-D模块的切换命令来自于ASC-D。ASC-D上的频率计数器产生的切换命令与来自工作的发射机（接天线的发射机）的MSG的30 Hz信号同步，并同时与载波信号的30 Hz AM同步。
2 结语
为了更好地保证DVOR设备的高质量运行，我们应该不断加强DVOR设备原理的学习，尤其是CSB、SB1、SB2的辐射方式和原理。导航设备故障千变万化，只有我们在维护和维修过程中将理论和实际设备结合，这样才能又快又好的排除故障，保障飞行安全。
参考文献
[1] 魏光兴.通信、导航、监视设施[M].成都：西南交通大学出版社，2004，6：97-100.
关键词：THALES DVOR 9960Hz失真度
中图分类号：TN957 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）08-0227-02
DVOR[1]是意大利THALES公司生产的导航设备，因其技术手段先进、工作性能稳定可靠、维护使用方便，笔者所在西北空管局自2011年以来在西安咸阳机场、航路上大量安装使用该型号设备。本文根据设备安装调试投产过程中遇到近场监控器安装不合适时，如何保证设备有效、正常地运行，笔者提出了几点建议。
1 DVOR原理
DVOR在实际的应用[1][2]中，设备预定磁北方向为统一的基准零时刻，中央天线辐射的基准相位信号的初相为零；同时电子开关的控制，使上边带信号从1号天线开始逆时针模拟旋转辐射，下边带信号从26号天线逆时钟模拟旋转辐射。这样，磁北方向的可变相位信号和基准相位信号同相。边带旋转辐射形成的多普勒频移，那么，接收机接受的信号频率为，而下边带由于和上边带对称辐射，形成的接收机频率为。这样，多普勒效应在每个边带上引起的频率调制的相位是相同的。使用两个边带的目的是为了减少多径效应的影响。
DVOR边带天线与方位的关系，如图1所示。假设O为中央天线，与为边带天线，馈如信号为和，设O点为中心点，在飞机所处的方位上，与的相位超前（滞后）O点相位为：
由于天线A在方位上的最大速度为天线运动速度的线速度，天线辐射的最大频偏为
将其代入式（4），得：
两个天线的辐射场为
与边带天线两辐射场在空间合成信号即为可变相位信号：
其中：
MHZ，HZ，HZ，为调频指数，为可变相位信号的幅度。
由以上公式可知，可变相位信号体现于副载波频率的变化，基本上与副载波幅度的变化无关，降低了因外界干扰引起的边带幅度变化对方位准确性的影响。对于空间调制，只要两个边带信号的幅度相同，且两个边带相对载波的初相相等，那么在空间就可以合成一个标准的调幅波，但当边带幅度不等、初相不等可能会引起空间调制度增大或减小。
2 近场监控天线安装位置原理分析
根据DVOR原理，我们可以知道正确的定相需要上边带、下边带和载波天线到接收点的距离完全相同。只有发射天线（上边带，下边带及中心天线） 与接收点等距时才可以找到正确的远场等相位，如图2中弧线所示。当然这种情况在正常运行中是不存在的，所以在常规的边带天线配置下在近场做出正确的定相是不可能的。增加与监控天线的距离会使这个弧线逐渐变平，直至到达一点使它实际上变成了一条直线，在这个点处即可以做正确的调相。
在正常运行中，由于边带天线的物理几何特性，9960Hz边带包络的幅值在一个30Hz
的周期内有两个最大值和两个最小值的点，假设接收点在东面300m，如图2所示，那么当边带在红色位置发射时就是最小相位误差点，当边带在蓝色位置时就是最大相位误差点（实际误差与频率和距离有关），这导致9960Hz副载波包络显示出一个额外的60Hz调制分量，如图3中LSB+USB的轨迹所示。
20，30，34，40和44号天线上
这些边带相位跳变在导致9960Hz副载波包络信号产生凹槽的同时在接收信号
假设接收点距离只有100m，在图4中我们可以看出有个额外的问题，60Hz分量增加，相位跳变发生在6，10，16，20，30，34，40和44号天线上。这些边带相位跳变在导致9960Hz副载波包络信号产生凹槽的同时在接受信号上增加了额外的相位调制分量。
根据图5所示，我们知道相变引起的误差成分与距离不成线性关系，并从中确定最近的可接受的DVOR定相点是300米。减少监控天线与中央天线的距离，将会由于60Hz分量的增加，导致9960Hz失真度的测量值增加。
所以，我们知道对于近场监控天线，建议安装距离为180到200米。虽然可以选择更近的安装距离，但监控信号质量会显著下降，尤其是距离小于100米时，监控信号质量下降会非常明显，尤其是Mod Distortion On 9960参数。厂家推荐当距离不够时选用反射网边缘安装的监控天线，即Nextfield监控天线。
4 结语
通过理论分析，我们知道适量的改变边带相位，可以减小Mod Distortion On 9960参数的值，但是为达到空间DVOR信号中9960Hz副载波调制深度的要求，调试人员必须增大地面信标边带信号发射功率，同时在远场区DVOR的平均方位误差会有增大的趋势。这无论对于地面信标设备还是被服务的飞机都足十分不利的。
因此，在DVOR系统调试中，边带相位的调整非常重要且必须慎重，严格地保证DVOR4000边带相位设置正确，避免信标担负额外的边带输出功率，在一定程度上防止系统平均方位误差增大，所以建议可接受的DVOR定相点是300米同时近场监控天线的安装距离最好是在180～200m的位置。
参考文献
[1]DVOR 4000 Technical manuals[Z].THALES，Milano，2011.
香港2007年底开始采用国标DMB-TH多载波制式发送数码地面电视信号，当时也成为国内唯一的真正进入实用阶段的数码电视信号，也成为邻近香港的珠三角地区无线接收电视的试验场。开播初期的数码电视信号仅由慈云山（C）发射站提供，占用482MHz、586MHz及602MHz三个8MHz带宽的频道，其中的586MHz及602MHz频点规划为采用同频网方式广播。虽然发射站位处香港腹地，珠三角地区可以稳定接收到以上3个频点的案例也不在少数。
为了迎接08北京奥运，香港开通另外5个发射站，也就是说6个发射站同时发送586MHz及602MHz的射频信号。在某些地方出现了严重的同频干扰问题，原本稳定高质量的接收出现了信号质量下降甚至无信号。通过场强频谱仪测量发现对应频点的信号强度通常是高过之前的单发射站信号，但是接收到的信号却是经常出现严重马赛克，信号质量不规则跳动，接收机无法锁定等现象。
模拟电视广播是不能使用同频网概念进行广播的，数码电视则声称可以构建同频网，但是事实却是让人失望。当然，从发射站规划来讲，珠三角地区接收香港数码信号并不在其规划区域之内，相对的远程接收导致容易接收到多个发射站的信号，而且发射站之间的角度偏差较小，所以也不能就此否认数码单频网是不可行的。为了寻找在这种特定条件下接收同频网数码电视的解决方法，以下就同频信号的混合特性作详细分析，并探讨利用天线消除或降低同频信号造成的干扰。
主要发射站分布概况：
射频信号在天线上合成
珠三角地区接收香港数码电视，都会碰到同频信号问题。具体反应就是482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz好收，586MHz和602MHz难收。通常的原因并非586MHz/602MHz信号不够强，而是由于482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz都是“干净”的信号，586MHz/602MHz则可能是“有点脏”。这里需要说明的是482MHz、546MHz、650MHz、562MHz或626MHz的电视信号只有一个发射站发送，而586MHz/602MHz则是由数个发射站同时发送。
由于是相对的远程接收，更容易同时“看”到香港的多个发射站，那么就很有可能同时接收到不同发射站的586/602信号。当不同发射站的信号遇到一条天线时，这条天线同时感应到电磁波并合成输出，那么合成的电信号会出现什么样的变化？
图1和图2显示了两发射站到接收天线无延迟（正好距离相同）、延迟4.9km和延迟18.7km的情况下同频信号叠加合成的波形结果。
这种图通常是用来解释保护间隔是如何对付反射波与同频信号。图中的窗口表示数码信号的一个符号时间，0-125μs是保护间隔，125-625μs是数据窗口。保护间隔内的波形随着延迟不同出现变化，不过没关系，需要的数据在后面的数据窗口。数据窗口还是正弦波，相位有点变没关系，幅度变化就有点麻烦。现在叠加的信号是-5dB，合成的数据窗口信号已经有可能大约降低一半，如果是0dB那就全没了。
现在不去关心数码信号是什么样的结构，只关心信号幅度在合成之后出现变大变小。是不是只有延迟18.7km附近最倒霉？以此类推，延迟距离不能超过37.5km（保护间隔比1/4），否则数据窗口的波形也将被破坏。
仔细计算一下图中正弦波的频率，发现有问题，怎么只有8KHz。18.7km就是8KHz的半波长，所以延迟半波长位置是抵消最厉害的地方。
可是天线实际收到的信号是586MHz和602MHz，586MHz的半波长是0.256m，602MHz的半波长是0.249m。射频信号叠加也是一样，只要是延迟半波长的奇数倍，信号也是互相抵消。。虽然保护间隔可以使得数据窗口在一定范围内免遭破坏，但是如果射频信号在进入接收机之前已经互相抵消为弱信号，接收机同样无法处理。
同频信号就在您周围合成
以586MHz频点为例，图3显示水平面同频电波合成后的信号强弱分布。
图中绿色表示相加增强地点，红色表示抵消衰落地点，方向差45度示意。是不是前后左右挪动天线几十公分就可以避开抵消点？
在有些情况下可能有效，但是没这么简单，示意图只是针对586MHz的波长画出来的。一个频道有8MHz的带宽，加上602MHz总共要考虑24MHz的信号。
正弦波的合成原理
现在回到现实中，天线安装固定之后，天线安装点与不同发射站的距离差是固定的。假设这个距离差正好让某一个频点增强，那么附近的频率是不是也是一样？因为想要信号正常那一定要把8M带宽的信号全部收下来才行。
对于信号合成所需要的计算不复杂，只要算出8M带宽内各频点的正弦波叠加幅度，就可以观察出对应的频率响应。对于射频信号，关键不是追求计算的准确度，而是从计算结果看出个大概。
正弦波的电压表达式是 V = v0 sin( f0 t + Φ)，v0是指幅度，f0是指频率，Φ是指相位。
两个频率、幅度相同，相位不同的信号叠加公式：
V1 + V2 = v0 sin(f0 t+Φ1) + v0 sin(f0 t+Φ2) ；
= 2 v0 cos((Φ1-Φ2)/2) * sin(f0 t+(Φ1+Φ2)/2) ;
叠加结果是频率不变，相位变成(Φ1+Φ2)/2) ，幅度变成2 v0 cos((Φ1-Φ2)/2) ，幅度的变化看起来和频率没关系，但是其中的(Φ1-Φ2)是相位差，相位差跟距离差和波长有关系，波长又是由频率决定的。
Φ1 - Φ2 = (2πΔd) / λ，Δd 是指距离差，λ 是指波长。λ = c / f0 ， c 是指光速，c = 299792.458 Km/s。合成后的幅度也可以写成：
2 v0 cos((πΔd f0)/ c) ；与频率f0还是相关的。
使用三角函数对付幅度相同叠加的幅度变化还容易理解，幅度不同的叠加就有点复杂。正弦波还可以采用极坐标来表示，图4显示频率相同的正弦波合成后幅度与相位变化，其中v1和v2之间的夹角就是两信号的相位差。
根据平行四边形法则计算合成幅度：
vout2 =( v1+v2cos((πΔd f0)/ c))2 +( v2sin((πΔd f0)/ c))2；
下面针对586MHz和602MHz所占用的频带，计算在各种距离差情况下，各频点幅度的变化曲线。
距离差与电视信号频谱的关系
假设电视台发射的频谱是理想化的长方形，代表所有频率的强度一样。在两路同频信号叠加之后，由于相位差的不同，各频点叠加幅度出现不同的改变，也就相当于原始信号经过一个特殊的滤波器，频谱发生了变化。
先看看距离差0.25m与0.5m的情况（图5），其中的同频信号强度为主信号的-5dB。合成之后的频谱还算可以，24M带宽范围同步变化，大约升4dB，降7dB。如果接收点和两发射站差不多是等腰三角形，距离差还真有可能这么小。
提高距离差到5m，50m和100m（图6）开始发现问题严重。合成之后的频谱出现大约10dB振幅的抖动，严重破坏数码电视频道内的频率特性，而且可以看出随着距离差加大，抖动的密度提高，振幅变化保持大约10dB。
数码接收有个基本的要求是“频谱平坦”，如果频谱的抖动超出一定的范围，数字解码电路就会解出错误的数据。无名兄经过多种机器的对比，发现不同的高频头及解码器组合会在不同地方表现“抗同频”能力有高低，估计就是对付这种怪频谱的能力不同。
图7以延迟距离100m为例，显示不同强度的同频信号合成结果。可以看出同频信号越强，合成后的频谱抖动就越大。在同频信号为-15~-20dB时，频谱抖动接近+/-1dB，这应该是普通接收机可以接受的范围。
得出的结论是：同频网的射频信号叠加效应导致数码电视接收困难，最根本的解决方法是降低同频信号的强度。
附加说明：
(1)数码电视与模拟电视信号在进入解码器之前没有本质区别。就是说从发射，到天线感应，馈线电缆传输，高频头转中频为止，都是一样的模拟信号。唯一的区别就是模拟电视的幅度是固定的，数码信号的幅度是变化的，最低电压与最高电压变化要比模拟大，所以唯一要注意的是天线系统的动态范围要求在合理的位置，以免出界。
(2)模拟电视使用射频的幅度表示图像的亮暗，射频信号的图像部分是以调幅（AM）方式传送的，比如说模拟电视的射频信号的电压是在变化的，如果受到干扰就会叠加在一起，对应的就是图像马上发生变化（变亮或变暗）。音频部分是使用调频（FM）方式传送的，射频传输过程中如果只是改变了幅度则不会对声音造成影响。数码电视信号在地面传输是也是相当于调幅（AM）方式传送。美国ATSC的8VSB只使用电压幅度表示数字，国标数码电视使用xQAM，同时使用幅度和相位表示数字。如果射频信号的幅度与相位受到影响，解码芯片就会得到不同的数字，相当于加入了幅度噪声与相位噪声。
同频网接收天线的基本设置
发射站的射频信号发射之后，以各自的方向直线传播，在遇到天线时部分能量被吸收反射，其余的能量按照原来的方向继续前进。在有同频信号都可以得到的地方，天线同时接收来自不同发射站的信号，通过电缆连接下来的信号已经混合为一个信号，这个信号几乎没有手段可以再将它拆分。
通过之前的分析，应该清楚射频的同频干扰不是数码的保护间隔可以完全解决的，首先需要解决的是确定一个信号最强的发射站作为主信号，寄希望于其他发射站的同频信号强度有足够的差距。
首先需要搞清楚现在的天线能收到几个发射站的信号，香港数码电视同时采用多频网/单频网，幸运的是每个发射站都有一个不同频率的信号。C站482MHz、K站546MHz、Q站650MHz、F站562MHz，J站626MHz，虽然不能完全等同于各发射站的586MHz/602MHz强度，但还是有一定参考价值。586MHz/602MHz如果已经处在混合状态，那是没办法分清楚里面到底有多少成分是来自哪个发射站的。所以说如果586/602有问题，先不管586/602，先关注多频网的接收情况，是不是有点头痛医脚的感觉。
再搞清楚那个发射站信号最强，还是利用多频网各个发射站的特定频率，以现在的天线设置，利用接收计通常都有的信号强度及质量判断。如果可以存台，最好多做观察图像声音的稳定情况。找出最稳定的频率，那就可以把对应发射站当作主信号。
当然使用场强扫频仪是最专业的做法，可以更明白数量上的差异，判断也可以更准确。多频网因为没有同频干扰问题，有时候要求很低还不出毛病，同时稳定倒是经常有的事，通过接收机观察有时候可能很难拉出距离。
香港的数码电视规划到目前为止算是一个特例，就像每个发射站都保留一个频率作为指针。如果没有这种频率规划结构，主信号的确定那只好依靠收集发射站功率、距离及前方遮挡环境等材料进行分析，做出一些辅助判断。由于实际环境千差万别，最终的手段也只能靠细调天线指向、尽可能尝试天线不同安装位置来确定。
天线都具有一定的指向性，通常是指向发射站方向时增益最高，偏离发射站方向增益逐渐下降，指向角则是指在增益跌落3dB之内的角度。从图8可以看出实际应用时，天线的指向角会随着当地环境出现变化。现实的居住条件较少可以达到空旷不受阻挡，在电波穿越复杂的城市钢筋森林，通常都会出现强度衰减，路经复杂化，虽然天线还是那条天线，实际效果是天线相对指向性变差。
天线指向图通常是以一个频率增益最高点为0dB，在对比不同频率的强度时则以实测强度最高的频率作为0dB，图9是以信号最强的Q站信号作为0dB，对比不同方向的强度差异。在指向K站方向时，586MHz/602MHz可以接收，但是经常出现不稳定现象，对于数码电视接收来说属于不可忍受情况。指向Q站方向后，586MHz/602MHz接收完美。
这个实例属于主信号与同频信号偏角较大情况，普通的指向天线已经可以做到隔离同频信号，拉开足够的强度差距。如果主信号与同频信号夹角过小，指向天线对同频信号的抑制程度将会减弱，提高接收天线的指向性将有助于对同频信号的衰减。
提高天线指向性
选择方向性较强的八木天线。只是天线厂家较少提供有关指向性的技术参数，提供了参数也不知道准不准。如果现在使用的天线是短的，换一条长的。
抛物线网锅也是一个选择，不过体积庞大较难维护，还一定需要足够大地盘安装。图10的天线也是按照抛物线设计，声称水平指向24°，垂直指向16°。如果水平放置，水平指向可以达到16°附近。
在单条天线不能满足，有没有条件架设抛物线网锅的情况下，使用双天线水平组阵可能比较容易实现，图11为安装尺寸示意图（针对586MHz/602MHz的最低端频率582MHz计算）。
双天线水平组阵必须注意的要点：
1. 天线型号必须相同，两条天线不能接触。可以使用任何形式的指向天线组阵。
2. 水平安装横杆如果不使用金属材料，可以靠近天线。
3. 天线通常指向发射站方向，如果来波方向受影响，尽量指向信号最强方向。
4. 天线到合成器的连接电缆不能水平拉线，连接两条天线的电缆长度必须严格等长度。
5. 合成器可以使用普通的1进2出的分配器反过来使用。
6. 天线间距选择最低频率波长的0.94~0.60之间。
采用理论计算的方法观察一下组阵前后天线指向角度的变化（图12，以间距0.484m，586MHz为例）。比较单天线与双天线指向图的变化，-3dB的指向角度从24°减少到18°。如果要达到对同频信号有足够的抑制程度需要15~20dB，图中标示-18dB的角度从60°减为45°，也就是单天线可以用于偏角30°以上的同频信号抑制，双天线则可以用于偏角22.5°以上。
普通的双天线水平组阵只要是以提高指向性的方法抑制同频信号，但是缩小角度有一定的限制。如果同频信号偏角更小，那就需要精确组阵来针对某一频率进行处理。
精确组阵原理
如果仔细研究图12 的水平组阵衰减曲线，你就会发现四瓣形状的曲线中存在有4个凹陷，也就是衰减最大点，精确组阵的原理其实就是要将凹陷点精确移动到想要消除的同频信号方向。先从图13了解一些有关射频传播的基本概念。
图13还同时告诉我们这样一个道理，射频信号虽然是以光速传播，但对于UHF频段信号的波长尺寸，通过天线安装位置的移动很容易改变信号相位。如果采用两条天线接收同一个发射站信号，只要这两条天线之间的距离相差为1/2波长，也就是一条天线比另一条天线提前或滞后1/2周期时间。再将两条天线的信号进行合成，这个发射站的信号就会互相抵消，信号消失。在解决同频干扰问题时当然不能只考虑将信号衰减，最终目的应该是保证主信号增强或不变的同时而同频信号尽可能衰减。
达到这个目的的方法是让主信号同时到达两条天线而同频信号不同时到达两条天线，前提是同频信号不能和主信号来自同一个方向。在信号经过数km的传输到达天线时，相对于天线的尺寸，信号的来波可以看成是一个垂直于地面的平面（波阵面）迎面扑来，只要确保两条天线都处在这个平面之上，主信号将同时到达两条天线。同频信号的来波方向如果存在一定的偏角，那么同频信号的波阵面就会从侧面而来，就不可能同时到达两条天线，两条天线就会先后收到同频信号，存在一定的延迟。如果可以使这个延迟正好是1/2周期时间，那么两条天线收到的同频信号成分就可以通过合成，互相抵消（图14）。
原理与计算只是利用简单的几何和三角函数，在实际操作时还要考虑到其中准确的因素只有用来计算波长的目标频率值，同频信号偏角大小不可能获得完全准确的数值，所以水平叠装天线最好设计成间距可调，在确认主信号方向之后，再仔细调试间距，以达到消除同频的最佳状态。
表1给出从偏角1°到30°的天线间距数据，基于586MHz/602MHz正好相隔一个频道，在处理同频干扰问题时如果需要同时处理类似的情况，将它们的中心频率作为目标频率也是一个不错的选择。
随着偏角减小，天线安装的间距不断增大，除了偏角1~3°之外，计算出来的天线间距值还算是处在工程可实现范围之内。当然在偏角太小的情况下实际操作的难度也相应提高，关键是双天线在主信号方向对准方面精确度要求越来越高，否则很容易将主信号置于被衰减的方位。
小结：
双天线组阵抗同频的方法针对的是物理层的电磁波，所以面对的只是各种频率的不同幅度与相位的正弦波，当然天线是区分不出来这些正弦波是代表模拟电视信号还是数字信号甚至被有些人称之为“毒针”的干扰信号。
如果您可以熟练阅读“同频信号衰减曲线”，您就发现几乎就是一个由双天线构成的对来自不同方向信号的单频道陷波器，当然很明显的缺点是两条天线只能对付一个频道，优点是主信号方向的频率与此衰减曲线没有关系（滤除不同方向的594但是586/602不受影响）。
精确组阵误差分析
在两条天线调试固定之后，间距也固定为一个数值，也就是说两条天线造成的延迟时间只有一个数值。电视信号的带宽是8MHz，在同样的延迟时间下，从低端到高端的各个频点所造成的抵消程度就会有所不同，图15显示在选择3个不同目标频率作为消除点时的衰减曲线，实线表示最大衰减40dB的曲线，虚点表示理论最大衰减曲线。
双天线精确组阵理论上可以完全将同频信号变成0电压，实际应用中通常可以做到20dB的衰减，如果精雕细琢可以提升到35~40dB的衰减量。图16和图17显示在不同偏角的情况下，双天线指向偏差及间距偏差所引起的最高衰减量的变化。对于偏角较小的情况，天线指向精度要求比较高，间距精度要求较高。对于偏角较大的情况正好相反，指向精度要求稍低，间距精度要求较高。
结束语：
双天线组阵抗同频信号的局限性在于只能针对一个频道的一个偏角，但是具有20dB~40dB的衰减性能在实际应用中可以发挥关键性的作用。
在同频网同步正常运行时，主信号的强度只要有15~20dB的优势，同频干扰几乎可以排除。根据主信号与同频信号强度原本的差距，对同频信号的衰减并不一定都需要调试到最高，只要足够就好。
【关键词】 智能天线 多阵列 双极化 扇区
一、概述
随着技术的发展，智能天线在TD-LTE系统中的应用得到了越来越多的关注[1]。智能天线的性能和其他关键技术的结合、兼容性以及带来的问题等都成为研究热点。智能天线采用空分多址方式进行空间信号处理技术，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的用户区分开来，它的基础是用户信号的空间特征。将其和其他多址技术结合，可以最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、衰落、多径、同信道干扰等，使通信质量受到严重的影响。
天线波束下倾是解决上述问题的主要方式，通过改变天线垂直方向图主瓣的指向，使其主瓣指向覆盖小区，零点或者副瓣对准受其干扰的同频小区，这样既改善了小区覆盖范围内的信号强度，又减小了对其他同频小区的干扰，提高了系统的频率复用能力，增加了系统的容量[2]。智能天线的电调化使得无需机械调节即能达到直接波束下倾的效果，并使天线下倾角调节不仅可以在通信塔现场进行，也可以选择在机房中通过网络远程完成[3]。因此，电调智能天线使TDLTE网络优化工作更加快捷和便利。
二、相控阵天线理论
2.1 天线概论
天线的作用是将馈线（电缆、波导等）中的导波场转换成空间辐射场，并接收目标反射的空间回波，将回波能量转换成导波场，由馈线送入接收系统[4]。评估天线性能的主要参数包括天线辐射方向图、增益、极化、带宽、扫描等。
天线方向图F（e，40）给出了天线远场功率密度随角度的变化。天线方向图根据主瓣形状分为全向波束、笔形波束、扇形波束和赋形波束四大类。通信天线中圆阵天线所形成的即为全向波束，面阵天线业务波束为笔形波束，广播波束为扇形波束，俯仰面为上零点填充下副瓣抑制为赋形波束。从天线辐射方向图我们可以得到天线主瓣半功率波束宽度HPBW、副瓣SLL、波束指向等体现天线性能的几项主要参数[5]。
天线增益G是天线最重要的参数，体现了天线将辐射能量集中照射在某个方向的能力。增益与天线的口径面积成正比，与工作波长的平方成反比。在工作频率一定的情况下，天线的口径尺寸越大，天线的增益越高；同样，在口径尺寸一定时，工作频率越高，天线增益越高。
天线的极化方向定义为电场矢量的方向。如果电场矢量沿直线往返运动，就是线极化，线极化又分为水平线极化和垂直线极化。如果电场矢量的长度恒定而绕圆圈旋转，就是圆极化。如果波朝观察者方向行进且顺时针旋转，则为左旋圆极化；如果是逆时针旋转，则为右旋圆极化。椭圆极化可以看成不完全的圆极化，其电场矢量的运行轨迹是椭圆。根据互易定理，天线的发射和接收必须极化匹配。极化的纯度也是天线设计过程中必须考虑的，例如水平极化天线也会在某些方向产生少量与之正交的垂直极化，在此我们将所需要的水平极化称之为主极化，不希望的垂直极化称之为交叉极化。交叉极化会引起杂波、干扰等问题，需要在设计过程中进行控制。
2.2 阵列天线
阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。组成阵列的可以是线元、口径面元、微带贴片等各种形式的辐射单元。阵列规模可以是几个甚至几十万个辐射单元。人们可以通过选择和优化辐射单元的结构形状、排列方式和馈电幅相得到单个天线难以提供的优异辖射特性。阵列天线是相控阵天线的基础[6]。
图2.1给出两个间距为s，等幅同相激励的各向同性单元。输入单位功率时，它们的电场矢量作为e的函数在远区相加。其矢量和即是辐射方向图。
2.3 相控阵天线
相控阵天线是由许多辐射单元排列成阵所构成的阵列天线，各单元的幅度激励和相位关系可控。在一维直线上排列若干辐射单元形成的阵列即为线阵；在二位平面上排列若干辐射单元称为平面阵；辐射单元排列在曲线或者曲面上，则构成共形阵。共形阵则可以突破一般线阵和平面阵扫描范围的限制，实现更大空域电扫。典型的相控阵天线利用数字控制移相器改变天线阵元相位分布来实现波束的快速扫描[7]。
相控阵天线的主要技术特点和优势在于：
（1）天线波束的快速扫描能力
相控阵天线的快速扫描能力是促使相控阵雷达推广应用和高速发展的基本原因。这一能力基于阵列天线及阵列中各天线单元通道之间的信号传输相位快速变化能力，对于采用数字移相器的相控阵天线，一般可以在几个微秒内实现雷达波束形成和波束位置转换。
（2）天线波束形状的捷变能力
天线方向图函数是口径照射函数的傅立叶变换，通过改变阵列各单元通道内的信号幅度和相位，即可改变天线波束形状。天线波束形状的捷变能力使得相控阵天线快速实现波束赋形，从而具有快速自适应空间滤波的功能。
（3）空间功率合成能力
用相控阵天线，可在每一单元通道或每个天线子阵上设置一个发射功率放大器，依靠移相器的相位变化，使发射天线波束定向照射，即发射信号聚焦于空间某一方向。这一特点为雷达系统的设计带来了极大的方便和灵活性，解决了超远程微波及毫米波雷达所需超高功率的实现问题。
（4）天线与雷达平台共形能力
阵列天线将整个天线分为许多各天线单元，如果将其与雷达平台表明共形，可以减少或消除天线对雷达平台空气动力学性能的影响。相控阵天线为共形阵各项功能的实现提供了技术保证。采用先进信号处理的有源共形相控阵天线在雷达和通信领域具有广阔的应用前景[8]。
（5）多波束形成能力
相控阵天线通过转换波控信号，可以很方便的在一个重复周期内形成指向不同的多个发射波束。形成多个接收波束则可以通过将通道内信号经低噪放放大后分别送入多个波束形成网络来实现。多波束以及波束形状捷变，为相控阵雷达系统性能提升增加了新的潜力。
（6）相控阵雷达的分散布置能力
将相控阵天线的概念加以引申，一步相控阵雷达有多部分散布置的子雷达构成，在各子雷达天线之间采用相应的时间、相位和幅度补偿，依靠先进的信号处理办法，获得更有的抗干扰能力、角度分辨力等，是今后相控阵雷达发展的一个重要方向[9]。
三、误差分析
当相位或幅度存在误差时，会对天线的副瓣电平、波束指向、增益等产生影响。误差通常有两类：随机误差和相关误差。随机误差通常是受元器件极限精度限制而产生的非相关的幅相误差，如因移相器、馈电网络、辐射单元和机械结构而引起误差。建造低副瓣天线的任务要求把每一种幅度误差和相位误差尽量减小。天线阵列的单元数目越少，误差对天线性能的影响就越大，因此误差容限就越严格。相关误差会造成高电平的峰值副瓣，对天线性能的影响程度更大。有移相器引起的周期性相位误差就是典型的相关误差。相控阵天线因为阵列规模大，成本高，常采用子阵形式，子阵结构的周期性会导致较高电平的周期性栅瓣，是我们在设计过程中必须尽量避免的。
四、总结
从继承和发展体现TDD技术优势的多天线波束赋形技术、充分优化LTE性能并有效控制干扰以及工程建设需求的三重驱动下，在TD-LTE中如何发展和用好智能天线技术将成为未来技术发展的热点。目前，对于智能多天线技术在LTE中应用的研究仍处于初期，后继在推广及应用过程中还有很多具体问题需要克服和解决，包括标准化的完善、关键性能测试及验证等。总的来看，智能天线技术在TD-LTE中的研究和应用必将为未来TDD技术在LTE制式的竞争和发展中发挥重要而独特的作用。
参考文献
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一、宇宙是无限广阔的大自然
(一)宇指上下四方无限的空间，宙指古今往来无限的时间。宇宙在空间上没有天边天际，在时间上没有开端，也没有结尾。
(二)宇宙是客观存在的物质世界，万物丰富多彩，不可穷尽。宇宙之词，是世界万物的总称，万物均宇宙，没有不属于宇宙的物质，包括人在内。
二、信息是宇宙结构的要素
(一)信息是宇宙结构的要素，或日：宇宙结构的要素，称之为“信息”。信息是要素的代名词。
(二)信息参与制作天下、统一天下、调控天下。有的信息聚而成形，构成物体，大至天体，小至粒宇宙中的形象无限多，均为相应的信息合成，是信息诸多不同的外在表现“显态存在”。有的信息不在物体之内，潜而未形，散在空间，不做展现，看不见，摸不着，处于“潜态存在”。
三、万物皆全息
(一)全息，乃指宇宙总体的全部信息。以实物而言，任一物体均是全息物体，任一粒子，均是全息粒子；以场性而言，任一场均是全息场，任一波均是全息波，任一光子均是全息光子。佛学中讲，一粒粟中含有天下万物，一根毫毛中含有大千世界，比喻精深。
(二)以空间位点而言，任一位点不论大小，均含有宇宙的全部信息。位点中的信息均是全方位开放，双向调节，一是向所有方向散射信息，一是聚集来自所有方向的信息。全方位的信息相互依赖，相互包含，互为因果。位点信息双向调节的规律，不受空间距离的限制，而是涉及全宇宙，以确保宇宙全息。
(三)任一空间位点中，自然也包含着人类的全部信息，不论是本国人，是国外人(假若也存在外星人)，只要是人，均无例外。此种观念，务必用心领会，深入理解，不含糊，不怀疑。
四、信息无限小无限包含
(一)宇宙空间无限大，虽属客观现实，但在许久许久之前，谁也不肯相信，凭借现代科学检测和验证，才有了今天的定论。这一定论来之不易。信息无限小，虽然也是客观现实，若是让人相信，谈何容易?比理解宇宙空间无限大要难的多。其因有二，一是无限小在人的头脑中从来没有这种概念；一是现代科学尚无力检测。
(二)无限小的信息与信息之间，又是无限包含，相互容纳。宇宙全息论，正是在信息无限小和无限包含的根基上构建起来的。假若没有以上两个无限，宇宙全息论则无从谈起。
(三)常规的思维方式难以化解的问题，若运用跨越式的思维方法去进行研究，大胆设想，细心求证，不畏艰难，勇于实践，从诸多现象中也可以寻找一些规律。从分析现象而取得的经验和深化了的认识，称之“唯象论”。唯象论虽然不似现代科学定义表达的那样确切，但是，对一种事物跨时代运行，也大为必要。
五、信息追踪
(一)信息追踪，乃指信息对信息源的追踪。发放信息的物体，叫做信息源。信息与自身的信息源之间，永远存在着一种固定的内在联系。二者离开之后，不论距离多远，时间多久，这种联系总是存在的。
(二)提取相关事物的信息，通过信息追踪，可以直接影响、作用相关的信息源。提取相应山水的信息，就一定影响此山、此水。提取人的信息，就一定影响到相关的这个人，不论相距有多远。
(三)跨越时空的远距治疗，正是借助信息传递和追踪来实现的。医生的责任，就是从任何距离一个位点中，提取和操纵患者的信息，对相应的病人进行信息追踪。
六、信息可以筛选
信息相聚，乃无限密集、无限连续、无限复杂。若是从中将某种指定性的信息单独分离筛选出来，并加以利用，似乎不可思议。其实，说难也易，明理知法者，如同儿戏，关键在于主观意识和潜在意识二者的巧合妙用。筛选信息的方法，分为两道程序，一是先提取精神式样，二是精神式样在天复制。
(一)提取精神式样
1，精神也是信息结构，在大脑中形成之后，并不固定在大脑中，用人工方法从大脑中提取出来，在大自然中独立运动。精神信息体在大自然中的运动形式和任务性质，依人的意愿而定。
2，提取精神式样的技巧，在于妙用思维。一是选用相关的形象思维，二是对形象思维的内涵进行相应的内心感受。例如见下表：
(二)精神试样在天复制
1，宇宙是信息结构，精神也是信息结构，二者之间通过信息波相互感应，相互联系。人的精神信息对太空相同层次的信息，有极好的识别能力，可任意筛选、捕获与调控。通过信息感应，天晓人意，乞求什么样的信息，可以在天复制，源源而来，取之不尽，用之不完。
2，若将与人的生命和治病攸攸相关的精神式样，从大脑中提取出来，让天复制后，调入患者体内，对养生、延缓衰老、治疗疾病，均具有强力和特殊效应性。“精神愉快，机体舒适”两类信息，乃是人类生命中的最珍品、生理需要、抗早期衰老需要，治疗疾病也需要。
论文 关键词:智能天线 无线通信 空分多址 自适应天线 应用
论文摘要:采用数字信号处理技术形成定向波束的智能天线,引起了无线通信工程技术人员的极大重视。作者在对天线传统认识的基础上阐述了智能天线的基本概念、特点、实现方法和应用前景。
一、概述
天线是实现电磁波传播的必备器件:信号发射端利用天线实现电磁波辐射,信号接收端利用天线实现电磁波感应。因此,不论何种通信系统,只要它采用无线传输方式,就必须使用天线,而不论该系统采用的工作频率是多少,属于何种频段,也不论采用什么多址技术或者什么调制技术。
随着通信的 发展 和技术的进步,对所用器件、部件的要求也越来越高。智能天线正是适应通信发展而产生的新事物——在无线接入系统、卫星通信系统和移动通信系统(不论在公众通信网中,还是在专用通信网中)以及军事通信等系统中,均有其重要应用,并由此而带来诸如抗干扰能力、频率利用率等性能大幅度提高的一系列优点。
尽管智能天线还是起着电磁波的辐射和感应作用,但是,智能天线是一个崭新的概念。Www.133229.CoM
二、常规天线与智能天线
按照分类方法不同,常规天线(下文称天线)有众多的分类。例如,若按振子形状分类,天线可分为线状天线和面状天线:后者有抛物面天线,卡什格仑赋形天线等(用于微波频段);前者有布朗天线、j形天线、折合振子天线、八木天线、鞭状天线、螺旋天线、菱形天线等(常用于特高频、甚高频、短波频段)。若按方向性图分类,天线又可分为无方向性天线(即全向性天线)和定向性天线:前者如外露偶极子天线、共轴天线等,其特点是当它们用于信号发射时,不论收信用户位于何处,发射能量通过天线能作3600均匀分布;诸如角反射天线、角形反射器天线等则属于定向性天线。此类天线在一定方向上形成信号的发射或接收,能量的有效性较高。若按材料分,又有金属天线和介质天线之分。若按电场强度方向分类,天线又有垂直极化、水平极化等之分。当然,天线还有其它的分类方法,我们不一一例举。但无论怎么说,通信天线的构成比较简单,即使将用于与发射机、接收机相连的馈线算入,构成“天馈线系统”,但是,它依然是一个简单系统。
智能天线则是一个复杂的系统,而且随着性能要求的提高,智能天线也越加复杂。可以认为智能天线是从自适应天线发展起来的,但是二者之间有着显著的差异:自适应天线主要用于雷达系统的干扰抵消,而且是干扰信号强度特大,数量又不多的场合。在无线通信系统中,主要基于多径传播的干扰,其幅度一般较小,但数量往往很大,尤其是电波在城市地面传播时更是如此。这些差异导致在方向性图的形成上,或者说在信号的处理上有着各自的特色。既然智能天线从自适应天线发展而来,所以智能天线有着与自适应天线相类似的结构,用于信号接收时的智能天线结构图见图1。就是说,智能天线是由一个天线阵列和一组波束形成 网络 (亦称聚束网络)联合构成的系统。所以,从硬件构成来看,将智能天线称为“智能天线系统”是可以理解的。
用于收、发信侧的智能天线结构是相仿的,其工作原理也一致。这里以发送用智能天线为例,说明其波束形成原理。将待发射的各路信号s1(t),s2(t)……sm(t)组合成m维信号集合:s(t)=[s1(t),s2(t)…sm(t)]t,再在n×m矩阵网络中实现复数加权系数w加权,得到一个n维的阵列输出信号:
x(t)=w×s(t) (1)
其中,x(t)=[x1(t),x2(t)…xn(t)]t。
若智能天线的天线阵列的方向性函数为fn(θ),且当天线阵列选定以后,它就为定值。则x(t)将在天线远区场产生的场强
e(θ,t)=∑xn(t)·fn(θ) (2)
若要将信号sm(t)发向接收方,只需修改加权网络加权系数w为wnm即可实现该信号的辐射方向性图。即e(θ,t)可进一步写成
显然,只要调节wnm就能获得所需方向波束。智能天线的天线阵列是由多个(例如5、6个甚至更多)单元天线排列成一定形式形成的,常用形式有平面形、圆环形、直线形。从工程上考虑,这些单元天线方向性图常是无方向性的,其相互间距也需满足一定要求。例如在移动通信中使用时,各单元天线间距常取为λ2(λ为工作波长)。
智能天线波束形成网络的作用是在天线阵列支援下,形成一系列极窄的信号传输通路——空间波道,又称波束(beam),即在收、发两端之间形成一条极窄的信号通道。例如,当智能天线用于无线接入系统时,可以在基站(或中心站、转发站)和用户之间形成极窄的无线电波束通道。当智能天线用于移动通信和个人通信中时,这个极窄的波束能随着用户移动而移动。显然,极窄波束的应用能提高发信功率的有效性,还能提高信号传输的信号干扰比。或者说,在保证接收端信号干扰比不变的条件下,发信端功率可以大幅度降低。
这个极窄波束的实用,也形成了多址技术的第四种概念——空分多址(sdma),而且这个sdma可以和其它多址技术以及它们的混合联合使用。即在采用智能天线后,系统能在相同时隙、相同频率、相同地址码情况下,用户仍可以根据信号不同的空间波束——空间传播路径加以区分。
值得重提的是,形成一定指向的空间波束是众多的无方向性天线和波束形成网络的联合作用,而且空间波束的指向依据用户的不同空间传播方向而决定。这个具有一定指向的空间波束等同于信号有线传输的线缆如光缆、同轴电缆。
智能天线能实用于无线通信系统,而不论它们是公众网还是专用网,也不论该系统采用何种技术标准。智能天线能适用于几乎所有移动通信协议和标准的情况,见表1。有些协议或标准甚至至今还未正式形成产品,例如cdma2000、td-scdma,这种情况说明智能天线适用范围很广。
sdma的实用也促使了系统频率利用率的提高以及频率管理、频率配置难度的降低。例如在移动通信中,同一基站范围内的相同载频可以多次复用而不必虑及同频干扰(这就大大地降低了频率配置的难度)。而且不同指向的波束越窄,同频复用系数可以越大,系统的频率利用率就越提高,系统容量越大。同一小区两个手机用户同时占用同一频道时,智能天线形成的方向性图见图2。图中,智能天线形成的两个主波束分别对准这两个用户(而不会产生同频干扰),其它方向的增益却很小,这就保证了主波束增益可以做得很高,周围的干扰(包括同频干扰、邻频干扰、近端对远端比干扰等)和噪声的影响可以降低到很小。
采用智能天线后,同无线区不仅可以安排相邻或邻近频率,甚至还可实现同频复用,这极大地降低了无线电管理部门在频率配置和干扰管理上的难度,所以无委力主智能天线早日投入使用。
智能天线的应用还可以极大地增强设备供应商的竞争能力,并且智能天线不受调制方式和空中接口协议的限制,它们能与现有的空中接口方式相适应。智能天线的核心技术是波束形成,并主要由波束形成网络实现。
当智能天线为某个具体用户服务时,利用天线阵列发射或接收无线电波,利用波束形成网络中的某些部分对用户形成极窄的波束指向,而在其它方向上,智能天线能自适应地控制其方向性图为零,这种性能又称为自适应调零功能。正是利用这种功能,可以将智能天线的副瓣或零信号区(也称零陷区)的幅度基本抑制掉,这也造就了智能天线有极好的抗干扰性能。
只要能把主波束做得极细,同一基站(或中心站)主波束数能做得足够多,副瓣也能完全被抑制掉,那么,智能天线的应用至少在理论上解决了众多无线通信频率资源不足的难题。因此,不论在欧日联合提出的第三代移动通信方案w-cdma中,或是我国提出的第三代移动通信方案td-scdma方案中都把智能天线作为特征技术阐述在内,这是有道理的。就是在专用通信网中,这个特点也有着重要意义。我们以815~821 mhz(移动台发)和860~866 mhz(基站发)这一集群系统专用频段为例说明这一问题。这一频段虽可划分成240个双向通,但由于集群系统性能优越,特别是它的调度功能强大,因而该系统特别受专用通信网欢迎,许多系统诸如电力、人防、 交通 、港口、民航等都想发展该系统,从而导致频谱紧张。但是,一旦集群系统采用智能天线以后,频谱紧张这一问题将迎刃而解。
三、智能天线系统的构成
智能天线之所以能具备这些优良性能,这同其系统构成有关,特别是波束形成网络。波束形成网络构成复杂,大体上可分为网络处理系统和网络控制系统两部分,依照网络处理和网络控制的工作原理、结构不同,智能天线可分成波束切换型和自适应阵列两种类型。
波束切换型是指,智能天线能形成多少个空间波束一空间信道事先就已确定,这个确定既包括波束指向,也包括数量。确切地说,这类天线的波束数量有限。当智能天线服务于某用户时,系统能自动从有限波束中选择一个或几个的组合以服务于该用户,而不管所选波束的最大指向是否对准用户,也就是说用户虽处在所选波束作用范围,却有可能不在最大方向上。而且,当用户在移动时波束却是固定的,在用户移动到这种另一波束上时,系统会由此波束切换到另一波束上。基于相同原因,另一波束也不保证其最大指向随时指向用户,这些特点构成了这类智能天线的缺点,但是这类天线结构简单。
自适应阵列型智能天线能形成无限多波束,并能使用户始终得到波束的最大指向。当用户移动时,波束也能作自适应改变。显然,这种类型的智能天线性能最佳,但其网络控制系统相当复杂,还要求系统的实时性好,即要求处理网络在软件上需要有收敛速度快、精度高的自适应算法,以能快速调整波束的复数加权参数w。
目前,智能天线网络系统使用的算法有最小、最大信号比、最小偏差等。它们又各有特点,因而在实际系统中常需要并用,以取长补短,特别是在移动通信和个人通信中。这是因为在这两种通信系统中,电波传播主要在地面,而地面的电波传播环境很恶劣。基于智能天线性能极大地依赖于网络系统软件特性,因此智能天线也被称作“软件天线”。
早期智能天线的波束形成 网络 用模拟电路,但调试难度大、性能稳定性和可靠性差,目前都主张采用数字电路。较为一致的意见是采用高速率的数字信号处理芯片来实现。实际使用的芯片主要有两种:一种是dsp通用芯片,如tms320系列等。另一种则为专用集成电路(asic器件),其中最典型的器件是能进行大规模并行处理的门阵列电路fpga,以c6x调处理器为基础的dsp系统见图3。波束形成网络平台应提供充分模块以支持多个c6x,而且要采用高效率的i/o结构。
天线小型化和微带天线的使用,使得天线阵列结构得以简化。软件方面值得注意的 发展 是,基于特征值分解的自适应数字波束形成算法格外受到重视,因为这种算法能和高分辨率的测向算法统一起来,还能克服众多因素造成的波束误差。但是,此种算法的 计算 量大。
四、智能天线在无线通信中的应用
智能天线能用于很多种无线通信系统中,以提高系统性能。未来专用移动通信网将向公众移动通信网方向发展,或者说二者之间关系更加密切。还应注意:移动通信蜂窝小区正在向微型化、智能化方向发展,站距将更小,分布也更广泛,波束跟踪也更需智能化、实时化,基站配置也将更灵活,智能天线的波束形成技术将在改善地面电波传播质量和降低成本上发挥重要作用。由于智能天线的使用,不论在专用移动通信系统,例如集群系统、无线本地环路,还是在公众蜂窝系统,一改控制信道的发射方式——由全小区(或全扇区或全无线区)范围内的辐射为跟踪性的极窄波束辐射,全区内同频可以多次复用,从而形成了智能无线区(智能小区、智能扇区)的新概念。因为智能天线具有跟踪功能的固有性,无需通信系统另设“定位功能”,从而使采用智能天线的移动通信系统、个人通信系统的越区切换产生了“智能切换”的又一个新概念。而且,智能天线的应用也降低了成本。目前国内在公众移动通信系统中虽然使用了性能优良的单极化全向天线antel bcd-87010、单极化定向天线antel rwa-87027、双极化天线dps60-16 rsx和先进的遥控 电子 倾角天线mtpa890-d4-rxy-z,尤其是后者给日常的移动通信网络优化提供了方便,人们根据需要可以方便地调节天线倾角,以改善覆盖和干扰,但是它们远不能和智能天线相比。智能天线用于移动通信系统时,主要用于基站的发和收。
应该承认,移动通信和个人通信应用智能天线的难度较大,其原因在于移动的多用户、电波传播的多路径等因素造成了信号动态捕获与跟踪的难度,所以移动通信和个人通信中智能天线应用较晚,而无线接入系统尤其是固定式无线接入系统却较早应用。智能天线工作于tdd双工方式的无线接入系统时,可以把上、下行链路的加权系数统一。但在上、下行频率不同时,即采用fdd双工方式时,则下行链路的加权系数在上行链路的加权系数基础上,还需作适当处理。智能天线有望用于移动市话,以改善其频率配置的难度和提高网络的容量,以及提高网络的抗干扰能力。
智能天线也能用于dect、phs、pacs、cdct等体制的无绳电话系统,都能改善它们的系统性能。
智能天线还可用于卫星移动通信系统,例如用于l波段的卫星移动系统的智能天线就是用16单元、环形分布的微带天线阵列和一个波束形成网络构成,采用左旋园极化。而波束形成网络则采用10块fpga芯片,其中2块用于波束选择、控制和接口,8块用于天线阵列的准相干检测和快速傅立叶变换。
智能天线还用于各种专用通信网和军事通信等无线通信系统,以改善系统性能。正是由于智能天线具有重要的应用价值,所以国内外许多大学、研究所、通信公司等单位投入巨资,潜心研究,并已见硕果。
五、结语
智能天线对提高专用网和公众网通信系统容量、抗干扰能力,提高通信质量以及实现同一地址的各专用网的频率共享等具有巨大潜力,近年来备受关注。但是由于波束自适应形成的难度大,影响因素多,因此智能天线虽已用于固定式无线接入、卫星通信、军事通信等系统中,并获益匪浅。但用于移动通信、个人通信中还存在有一些难度。不过近来已传来乐观消息。例如某国外公司已2000年6月在上海移动通信网络中进行智能天线实用试验。所用天线类型为波束切换型。试验结果表明,确实提高了网络的整体性能。另据广东消息称,该省移动通信网络将在充分试验的基础上,引入智能天线,以大幅度提高网络服务质量等级和满足用户数量剧烈增长的要求。
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关键词 极化角；线极化；圆极化；椭圆极化；波导
中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 2096-0360（2015）01-0029-02
在我国卫星发展的早期，由于当时世界各国卫星数量不多，频道占用不拥挤，上星节目也不多，卫星极化较为简单，极化方式比较单一，极化问题不会对信号接收产生较大的影响，因而在接收天线的安装、调试过程中，极化调整常常不被重视。随着我国经济的快速发展，世界格局发生巨大变化，卫星及上星节目数量越来越多，频道越来越拥挤，所以极化复用作为提高频道利用率手段，成为最有效的解决方法。
1 极化方式介绍
1.1 极化方式分类
决定极化方式的不是卫星接收天线，而是卫星信号的极化方式。极化反映了电磁波电场矢量随时间变化的规律。当卫星信号的电场矢量运行轨迹成一条直线时，这样的电波叫做线极化电波，当星信号的电场矢量运动轨迹平行地平面时，这样的电波叫做水平极化电波，当星信号的电场矢量运动轨迹垂直地平面时，这样的电波叫做垂直极化电波。沿着电波传播的方向看，电场矢量端点的运行轨迹为一个圆，这样的电波叫圆极化。圆极化分为左旋圆极化、右旋圆极化。沿着电波传播的方向看，电场矢量端点的运行轨迹为一个椭圆，这样的电波叫椭圆极化。线极化和圆极化是椭圆极化的两种特殊的变化形式。但是，通常在卫星广播和通信领域，一般都不采用椭圆极化的方式，因为在一个周期内，电场的大小和方向都发生变化，接收端不容易接收信号，接收设备也会变的复杂。
1.2 极化隔离
为了科学合理地利用卫星频率资源，提高带宽利用率，在数字卫星广播通信中，采用的最经济的方法就是频率复用技术，即在同一频带内传送两套不同的信号，为了确保两套信号在传输互相不影响、干扰，必须要满足两个卫星信号之间的相位相差九十度的条件，这种卫星信号的极化隔离方法，可以让两种卫星信号之间不会发生互相干扰。极化隔离的方法同时能适用于线极化和圆极化。
在线极化中包含两种极化方式，即垂直极化和水平极化。这两种极化方式是相互正交的，也就是说，垂直极化的信号相位矢量在水平方向的投影分量为0，水平极化的信号相位矢量在垂直方向的投影分量为0，卫星接收天线无法同时接收水平和垂直两种极化方式的信号。线极化方式是区域性广播通信卫星中常用的极化隔离方式，优点是接收设备简单，造价低，但工程时，接收天线调整调试过程相对复杂，需要一定的专业知识。
在圆极化中也采用极化隔离方式进行信号传输，左旋极化的信号与右旋极化的信号互相正交，两个信号转换成线极化后，在对方的投影分量也为0，所以圆极化接收天线只能同时接收一种圆极化信号。洲际卫星普遍采用圆极化方式，优点是接收天线调整简单，但设备相对复杂一些。
需要说明的是，圆极化波可以分解为两个线极化波，一个垂直极化，另一个水平极化，所以圆极化天线不但可以接收线极化波，而且线极化天线也可以接收圆极化波，但这样的接收方式，会造成3dB的损耗。
2 数字卫星接收天线的极化调整
由于洲际卫星和区域性卫星采用的极化方式不同，加之线极化与圆极化之间可以互相转化接收，所以，一般卫星接收天线可以接收线极化信号和圆极化波信号，以便提高天线的利用率。
2.1 接收圆极化卫星信号的调整方法
洲际卫星大多是圆极化方式，在卫星接收天线中，广泛采用使用喇叭天线作为馈源，而喇叭天线的核心是一个圆波导，之所以采用圆波导，是为了确保卫星接收天线既能圆极化信号，也能接收线极化信号，避免因卫星信号极化类型改变后造成天线硬件的大幅度改动。所以圆波导的结构设计是完全对称的。作为天线的一部分，馈源是通过法兰盘与高频头连接在一起的，由于高频头的输入端为矩形波导，只能接收线极化波，因此在馈源内部必须设有一个圆矩变换段，将圆波导逐步过渡到矩形波导。馈源喇叭接收的是圆极化波，就必须在高频头前改变信号的极化类型，才能让只能接收线极化的高频头接收变换后的圆极化。由于圆极化波是可以分解成两个等幅且极化隔离的线极化波，所以只有通过改变两个线极化波的相位差，设法同相，才可以被矩形波导的高频头接收。
在卫星接收天线中采用90°移相器实现圆极化到线极化转化的。常用的转化方法有介质移相和销钉移相两种方法，介质移相用于前馈天线，销钉移相用于后馈天线。介质移相原理是：采用一片用高氯化铝瓷或聚四氟乙烯制作的低损耗的介质片，固定在馈源的圆波导内，方向是圆波导的直径方向，这样当平行于介质片的电场和垂直于介质片的电场通过介质片时，由于介质片的电磁特性导致介质片对平行性介质的电场与对垂直于介质的电场的影响大不相同，导致两个方向的电场的相位速度发生改变，平行于介质片的电场相位速度改变较少，可以忽略不计，而垂直于介质的电场的相位改变很大，相位产生90°相移，从而实现圆极化向线极化的转变。而销钉移相对用于后馈馈源，一般是在波导内，安装奇数对销钉，销钉的深度可以调整。改变销钉的深度，可以改变平行于销钉排列方向的电场的电抗性质，电抗特性可以从容性变成感性，也可以从感性变成容性；而垂直于销钉排列方向的电场分量影响很小，把销钉调整到合适位置，就可以实现平行于销钉排列方向的电场发生90°移相，从而实现圆极化向线极化的转变。通过调整极化器与地平面的角度，可以改变接收天线接收卫星信号的极化方式，这样一副天线就能同时接收到不同极化方式的卫星信号了。
在接收圆极化的卫星信号时，接收天线的极化调整相对会简单，只要将波导的旋向调节正确便可顺利接收，但还需要特别注意的是圆极化信号在转化为线极化波时，其极化方向是与高频头矩形波导的窄边方向平行的。卫星接收天线接收信号必须经过反射，其中前馈式接收天线要经过一次反射，后馈式天线要经过二次反射，经过一次反射的前馈天线，反射波的旋向与入射波的旋转方向正好相反，左旋波成为右旋波，反之亦然。需要经过两次反射才能接收的后馈天线，圆极化的旋向不变。此外站在接收天线的后方，沿着信号传播方向看去，由于观察方向正好与信号传播方向相反，因而，右旋极化的卫星信号旋转方向应该为逆时针，左旋极化的卫星信号旋转方向应该为顺时针。
2.2 接收线极化卫星信号的调整方法
在接收线极化波时，卫星信号的线极化模式是由矩形波导口的窄边方向决定的。当卫星接收天线需要接收水平极化信号时，就把波导口的窄边调整到与地平面平行；当卫星接收天线需要接收垂直极化信号时，就把波导口的窄边调整到与地平面垂直。此外调整接收线极化卫星信号的卫星接收天线时，除需要调整波导口的窄边外，还需要调整极化角。
卫星接收天线的极化角是指接收点的地平面与接收天线口面的交线和电波的水平极化矢量之间的夹角。卫星信号波束发射的线极化波是以卫星的轴系为基准定义的，而卫星接收天线的线极化方向则以地平面为基准，只有卫星接收天线与卫星定点经度相同，两者的角度才一致，如果接收地点的经度与卫星的经度不同，两者之间就会出现夹角，卫星发射的线极化波与接收点的地平面就产生倾斜，与卫星定点经度相差越大夹角就越大，所以为了实现极化匹配，卫星接收天线必须相对于地平面扭转一个角度（即极化角α），使之与卫星信号波束的线极化波的保持平行，才能使接收卫星信号的场强达到最大，不同的线极化波束之间的干扰达到最小。一般情况下，在北半球，当卫星位于正南方向时，极角为0°；当卫星位于正南偏西方向时，极化角大于0°；当卫星位于正南偏东方向时，极化角小于0°。对应到具体调整卫星接收天线就是：面对天线正面，对于前馈天线，当极化角大于0°，矩形波导向逆时针转动；当极化角小于零度，矩形波导则向顺时针转动；而对于后馈天线来说，由于波导位于天线后面，矩形波导口转动方向与前馈天线刚好相反。
3 小结
卫星接收天线的调整需要一定的理论知识和实际工作经验。在实际工作中，工程人员往往重视接收卫星天线的方位角和仰角，对极化方式和极化角知之甚少，所以这里笔者结合自己曾经掌握的知识，对卫星接收天线极化调整做深入的探析，希望对实际工作人员能够起到帮助。
参考文献
[1]克劳斯，马赫夫克.天线[M].3版.电子工业出版社，2011.
早安，泪珠与欢笑。
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前进之路上，自有千沟万壑需要跨越。哪怕有时不如你所愿，仍旧要坚定心中的信念。改变自己，改变身边。不要等到美好的日子来临，才决心做一个美好的人。