小议无线通信中有源天线的应用范文

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1有源天线原理与基本特性

有源器件与无源天线构成了一个不可分割的整体，改变了天线金属导线表面电压和电流的分布状况，减少了由于电子频率变化对输入抗阻的影响，由此极大增加了带宽有源接收天线的带宽，可达上百个倍频程。有源天线在波变换器的基础上与有源电路相结合形成一个有机的整体。由于波变换器的构造类型种类繁多，同时可以与电路形式交叉多种类型,从而极大提高了设计上的自由度,最大发挥有源天线优越性。（1）在频率较高的波段，由于波长较短，天线可以做到小型化。但是在微波的低频段以下，有源天线可以实现小型化。（2）有源天线提供了波变换器的方向性增益（即外部增益）；同时有源电路部分也提供了电路增益（即内部增益），基于这两点增益提高了系统输出信号的电平。（3）有源天线系统中有源电路部分是四端口网络，这样的设置在系统接入相匹配网络时，输入端和输出端可以实现有效的阻抗转换。（4）由于天线对称性与馈线的不对称性之间会导致系统连接的不平衡性，应用有源天线可以降低这种不平衡性，提高无线电系统的电磁兼容性。（5）有源天线可以提高收信系统的信噪比及灵敏度，降低噪声系数,使天线工作更加稳定可靠。（6）有源天线可以提高发信天线系统的效率且易于实现对天线方向性系数的控制。

2有源天线的构架

有源天线是无源电小天线导体与有源电路结合构成。天线单元上连接无源电小天线导体后可以减少天线阵中相邻单元之间相互耦合的影响，这样就可以缩小天线阵中相邻单元之间的距离。通常情况下天线自由空间波数与包围辐射器最大尺寸的假想球半径乘积小于0.5时，均可视为电小天线。常用的电小天线有包括电偶极子、电短电对称阵子及电小环形天线等。在无源天线耦合安装晶体管自身放大倍数以及晶体管在垂直金属导线上的安装位置决定了有源天线的尺寸大小以及固有波长，但是晶体管的参量是不能影响天线的固有波长。如果晶体管安装位置是天线垂直金属导线的输入回馈线，总体上晶体管基本不会影响天线尺寸。这种情况下晶体管只能看成为与天线连接的一个放大器或阻抗变换器。但是如果晶体管安装位置是垂直金属导线的顶端，这时晶体管的放大倍数就会对天线尺寸大小起着至关重要的作用。晶体管的放大倍数影响着天线的固有波长。天线的高度远远小于天线固有波长。有源天线上部水平导线不在参与辐射，只是改变垂直导线上的电流和电压分布。无源天线顶部加载电小天线的最为主要作用是使垂直导线顶部荷载电流达到某一数值。值得注意的是天线的垂直导线顶部增加上一个电小天线放大器，增加了无源加载时的荷载电流。当增强了加载的作用时电小天线放大器的放大倍数越大，作用就越为明显。电小天线放大器放大倍数直接决定着有源天线的尺寸大小。因为电小天线放大器能将这个导线顶部荷载电流以几何级数放大，所以有源天线的尺寸大大地减小。低噪声放大器在任何有源天线系统中都置于前端位置,这是因为前端放大器的噪声系数决定了有源天线系统的噪声系列参数。该有源电路的噪声系数的单一非线性和匹配性对整个有源天线系统影响巨大。Z0为特性阻抗，当晶体管端口2-2＇接负载Z1时，可以求得输入端反射系数和与之对应的输入阻抗。当晶体管端口1-1＇接负载Zs时，可以求得输出端反射系数和与之对应的输出阻抗。可以利用网络的入射功率，反射功率，输入功率来进行放大器各种功率增益的分析。放大器的工作功率增益是指放大器输出端口传送给负载的功率与放大器输入端口的功率比值。它是放大器在实际工作中提供的真实功率增益的量度，还可以通过调整资用功率增益、转换功率增益来使得放大器与网络达到相互匹配，使得有源天线达到更加好的工作状态。电小天线是有源天线中主要的组成构件，同时对有源天线的性能、功率有着直接的影响。电小天线辐射品质因数（简称Q值）是天线电尺寸的函数，天线电大小对其Q值与天线电尺寸成正比。Q值是最小值，是不能无限的降低的。ChuLJ利用球型波函数和球型贝塞尔函数的循环关系确定球型TM模和TE模的波阻抗对应的集总等效电路模型。电小天线的技术指标主要包括阻抗特性和辐射效率两方面。假设天线导体内电流呈余弦分布，同时认定导体表面到导体内部的电流分布密度呈指数逐步衰减的趋势。以导体直径大于0.5mm的长度为1m偶极有源天线为例。在ka=0.5处，天线辐射效率均大于90%。当ka值远小于0.5时，天线的效率则急剧下降趋于0。所以当使用电小天线的时候，为了得到较高辐射效率，则需要适当地增大天线导线的直径。当电小天线选择合适直径的导体时，有源天线可以忽略损耗电阻的影响。由于电抗为负数，则其表现为一个小电容，但电容值基本不随频率变化，当选择足够粗的导线作为电小天线的导体时，损耗电阻可以忽略。

3有源天线网络应用

有源天线的出现使网络优化可以成为现实。有源天线将无源电波辐射器与有源射频电路发射装置有机地结合为新一代基站设备。有源天线的一体化就是将基站中射频发射部分统一集中到有源天线内部，通过多端口的射频和天线阵模块排列配合，完成射频信号的收发。有源天线的应用不仅可以大大降低系统内部辐射损耗，同时还可以提高网络覆盖面积，简化地面、塔面设备，减少大量的建设资金同时缩短了工期。有源天线网络连接的基本结构是天线矩阵中单一天线阵子与有源天线连接，其中包含了A/D转换器、放大器，低噪声放大器，天线共用器，数字信号处理模块通过内置可编程功能模块来控制所有的微型单元，从而实现了数字信号同步功能和数字波束赋形基带（中频）信号的最佳组合或者分配。有源天线内部的射频部件与传统的基带信号转成光信号传送，与远端放大技术相比较，主要区别是采用了大量的矩阵化、集成化微型化的无线电芯片和低噪声放大器，双工器。采用这种结构的有源天线能够进一步减少馈线之间由于相互的电磁影响而导致的功率损耗。在相同输出功率的情况下功耗更小，有源天线射频部分置于塔顶可以通过自然散热来降温，机房内空调使用率就会大大降低，从而有效降低移动网络的总体能耗。由于有源天线矩阵中每个阵子配备了独立的接收发射单元，通过这种独立的单位控制信号幅度和波形相位，同时具备电子下倾功能，通过增加下倾角度，可以使基站扇区覆盖面积缩小，但不产生新的信号干扰，同时大大提高了机顶输出功率和接收机的灵敏度。此外，有源天线采用分布式多通道设计结构，整个基站扇区不会因为矩阵中某些阵子的失效影响整体服务功能。当系统自检发现某些阵子损坏后，系统自身会调整剩余阵子的幅度和波形相位来补偿功率增益损失，从而实现自动补偿功能（自愈功能），大大提高了系统的可靠性。同传统的无线基带控制和射频拉远单元相比，有源天线基站在安装上节省了更多的空间，降低了地面建筑用地。这种高度集成的产品更容易安装和替换，减少了工程时间和降低人工成本。虽然有源天线技术优势显著，应用空间很广，但是也应该认识到有源天线的大规模应用还面临着很多挑战。（1）由于有源天线是集成电路，所有有源集成与天线模块发射单元结构都需要大量的散热片，增加了整机的重量。减重成为有源天线的首要问题。（2）有源天线中集成使用收发单元大量使用的数字处理芯片，数字处理芯片设计制造费用偏高，导致有源天线与传统无源天线基站相比费用增加很多。

总之，有源天线经过近几十年的发展,已经成为天线领域的一个重要组成部分。由于其相对无源天线的众多优点,有效地解决了天线某些方面的技术限制，使得无线通信技术进入新的篇章成为可能。

本文作者：郑晓斌单位：中兴通讯股份有限公司