天线分集技术

5G通信射频有源无源 2024-04-22 00:02

分集概念


在移动无线电环境中信号衰落会产生严重问题。


随着移动台的移动,瑞利衰落随信号瞬时值快速变动,而对数正态衰落随信号平均值(中值)变动。


这两者是构成移动通信接收信号不稳定的主要因素,它使接收信号大大地恶化了。


虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能取得改善,但采用这些方法在移动通信中比较昂贵,有时也显得不切实际;


而采用分集方法即在若干个支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号,然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出,那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。


通常在接收站址使用分集技术,因为接收设备是无源设备,所以不会产生任何干扰。


分集的形式可分为两类,一是显分集,二是隐分集。


下面仅讨论显分集,它又可以分为基站显分集与一般显分集两类。



  基站显分集是由空间分离的几个基站以全覆盖或部分覆盖同一区域。


由于有多重信号可以利用,就大大减小了衰落的影响。


由于电波传播路径不同,地形地物的阴影效应不同,所以经过独立衰落路径传播的多个慢衰落信号是互不相关的。


各信号同时发生深衰落的概率很小,若采用选择分集合并,从各支路信号中选取信噪比最佳的支路,即选出最佳的基站和移动台建立通信,以消除阴影效应和其他地理影响。所以基站显分集又称为多基站分集。


  一般显分集用于抑制瑞利衰落,其方法有传统的空间分集、频率分集、极化分集、角度分集、时间分集和场分量分集等多种方法。


2  分集与合成


  分集特性决定于分集分支的数量和接收分集之间的相关系数。


四种常用的合成技术:最大比合成技术(MRC),等增益合成技术(EGC),选择合成技术(SEC),转换合成技术(SWC)。


这些合成技术是天线技术中重要的组成部分,但由于超出本教材的范围,此处就不再做具体介绍了。


在移动通信中,通常采用空间分集和极化分集,分集增益可在5dB左右。


下面就对这两种方法进行讨论。


3  空间分集


  空间分集是利用场强随空间的随机变化实现的。


在移动通信中,空间略有变动就可能出现较大的场强变动。


空间的间距越大,多径传播的差异就越大,所收场强的相关性就越小,在这种情况下,由于深衰落难得同时发生,分集便能把衰落效应降到最小。


为此必须确定必要的空间间隔。


  垂直天线间隔大于水平天线间隔。目前工程中常见的空间分集天线由两副(收/发,收)或者三副(收,发,收)组成。


4  极化分集


  在前面已经介绍了电磁波的极化现象。


目前在越来越多的工程中广泛使用了极化天线。天线通过两种极化——水平极化和垂直极化——而用一个频率携带两种信号。


理论上,由于媒质不引入耦合影响,也就不会产生相互干扰。


但是在移动通信环境中,会发生互耦效应。这就意味着,信号通过移动无线电媒质传播后,垂直极化波的能量会泄漏到水平极化波去,反之亦然。幸运的是,和主能流相比,泄漏能量很小,通过极化分集依旧可以得到良好的分集增益。


极化分集天线的最大优点在于只需安装一副天线即可,节约了安装成本。


5空间分集和极化分集的比较


  极化分集最大的好处是可以节省天线安装空间,空间分集需要间隔一定距离的两根接收天线,而极化分集只需一根,在这一根天线中含有两种不同的极化阵子。


一般空间分集可以获得3.5dB的链路增益。


由于水平极化天线的路径损耗大于垂直极化天线(水平极化波的去极化机会大于垂直极化波),因此对于一个双极化天线,其增益的改善度比空间分集要少1.5dB左右。


但双极化分集相对空间分集在室内或车内能提供较低的相关性,因此又能获得比空间分集多1.5dB的改善。


比较起来,双极化接收天线的好处就是节省天线安装空间。


作为发射天线,如果基站收发天线共用,且采用双极化方式,则采用垂直和水平正交极化阵子的双极化天线和采用正负45度正交极化阵子双极化天线相比较(假设其它条件相同),在理想的自由空间中(假定手机接收天线是垂直极化),手机接收天线接收的信号前者好于后者3dB左右。


但在实际应用环境中,考虑到多径传播的存在,在接收点,各种多径信号经统计平均,上述差别基本消失,各种实验也证明了此结论的正确。


但在空旷平坦的平原,上述差异或许还存在,但具体是多少,还有待实验证明,可能会有1-2dB的差异。


综上所述,在实际应用中,两种双极化方式的差别不大,目前市场上正负45度正交极化天线比较常见。



☆ END ☆

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