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新型智能天线的原理和优点与应用等资料说明
王磊
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自适应天线阵列通过虚拟线路连接移动用户，极大地改善了无线通讯。我们每天都沉浸在射频无线电波的海洋之中，看不见的电磁能有不同的源头：广播塔、蜂窝电话网和警察的无线通讯等等。这些辐射也许对人体无害，但它们会严重影响我们收发信息。过度的无线能量也是一种污染，因为它将破坏有用的通信。随着电子通信的日益频繁，无线电干扰也日渐嘈杂，我们环境中射频干扰信号强度的增加，使我们必须加大无线信号的强度，才能在背景电磁噪声中将有用信号区分开来。解决这个问题的一种方案是采用新型的射频天线，这种天线能够极大地减少人为干扰。以蜂窝电话通讯为例，采用这种全新的天线后，我们无须采用对用户的通话进行全向广播发送这种浪费的方式，而代之以跟踪移动用户的位置并将无线信号直接发送给他。这种天线系统在使其他用户受到的干扰最小化的同时，也使得目标用户的接受信号强度达到最大。实际上，这等同于给每个移动用户建立了一条虚拟的有线连接。 这些系统通常被称为智能天线，它们之中最智能的那种又被称为自适应天线阵列。1992年我和他人一起在美国加州圣荷赛创立了爱瑞公司，致力于开发能应用于已有和新的无线网络的自适应天线阵列。每个阵列包含了多达12根的天线以及一个强大的数字处理器（用于对输入输出信号的合并和处理）。朗讯、北电以及其他一些公司也都在开发这项技术。我们的目标都是降低成本和提高无线通讯的质量。现在自适应天线阵列已经向数以百万的蜂窝电话用户提供这些好处。此外，由于非常适合大量数据的传送和接收，它们极有可能成为无线因特网的关键部分。天线的物理学原理要了解智能天线的工作原理，先要了解比较“笨拙”的普通天线。射频天线将发射机产生的电流和电压信号转变为电磁波并将之发射出去，同时天线也能截取这些电磁波并将之转化为接收机能处理的电流和电压信号。最简单最常用的天线是偶极子，它不过是特定长度的能向空间全向发射能量的竖杆而已，无线电波在空中传播的过程中，强度逐渐减弱，并被空气、树木和建筑等障碍物吸收。 商用广播和电视台必须向地理分布上分散的用户提供服务，自然要进行全向广播。而一次蜂窝电话通讯通常只针对一个用户，在蜂窝网中，用户和最近的基站进行通信，在基站里有一套天线负责处理周围区域（称作小区）内所有的无线业务信号。基站按照一定的规律设立，使整个覆盖区域能划分为多个小区；用户从一个小区移动到另一个小区时，系统能自动将通话切换到其他合适的基站。在这种情况下，如果能将无线能量集中到单个用户身上，就像手电筒通过反射镜将光线集中成束那样，效率就会高得多。同样的功率，集束的信号能比全向发射的信号，传播到远得多的地方。基站向不同用户发送的波束在空间上是分开的，这样相互干扰也降低了。 反射器能把无线电波聚焦成束，但是它们实在是又笨重又昂贵。所以工程师们想出了许多不用反射器却能产生无线波束的办法。如果我们并排放置两根天线，它们之间的距离是无线信号波长的一半，那么从上面看下去时，这个简单阵列发射能量的方向图就是8字型的。在垂直于阵列（即垂直于两根天线之间的连线）的两个方向，无线电波的传送距离将达到最大，因为在这两个方向上用户能同时收到两根天线发送的信号（换句话说，就是两个信号是同相的）。然而，在平行于阵列的方向上，用户将接收到相位相差180度的两股信号。两股信号的波峰和波谷相遇之后就彼此抵消了，因此就产生了零区，在那里将检测不到任何信号。这种由两根天线组成的天线阵列的波束是相当宽的，而且它还将向两个相反的方向发射。通过加入更多的天线，波束的宽度变得越来越窄。二战以来，这种类型的相阵天线被用于雷达波束的聚焦。虽然天线数目的增加使得波束变得更窄，同时却在主波束旁边产生了更多的旁瓣。根据用户方向的不同，波束信号既有可能比单天线发射的信号更强（“增益”），也有可能由于抵消效应的存在变得比后者更弱（“损失”）。
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