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【关键词】 MIMO系统 信道容量 空域相关性
信道作为信号的传输媒介，它的容量大小是衡量系统发送和接受信息能力的主要度量。在新一代的无线通信系统中，利用MIMO的多天线技术，实现信号的同时接受与发射，在相同的频谱资源的情况下有效地提高信道的容量和利用率，在保证通信信号传输的高速、高效、高质方面发挥了重要作用，成为以4G为代表的未来无线通信业务的核心技术之一。
一、MIMO系统的概念及原理
MIMO通信技术又被称为“多输入多输出”通信技术，是在天线分集技术基础上利用空间信道来降低信道容量衰减的一种新型通信技术，是智能天线向多天线演化过程中的产物，对于无线通信来说，如果在传输过程中采用多径传输，往往会引起信道容量的衰落，成为制约通信发展的有害因素之一。与之相对的是，MIMO系统的使用则充分利用多天线的优点达到趋利避害的目标，为无线通信创造了多个并行通信空间，大大降低了通信信号的失真率，成为促进新一代无线通信发展的重点研究领域。由于MIMO系统两端均装有多天线，其系统主要工作原理为：信源信号将信息流传输到空时信号处理系统，经过编码形成过个子信息流经发射天线发出，然后被多径信息通道传输给接受天线，再一次经过解码处理还原信号，MIMO系统得接受和发散天线之间主要是通过多径信道进行连接。对于信道容量来说，在建筑密集的地域中的MIMO无线信道 假设其发射天线为n，接受天线为m，按照瑞利衰落模型分析，此MIMO系统的信道容量主要取决于三个参数：一个是系统的信号带宽，主要指的是信号的最高和最低频率之差，另外一个参数为接受端平均信燥比ρ，这是个重要的随机变量，在一定成都上决定了信道容量的高低；最后则是系统的接受和发射天线数量m，n，取两者的最小值。
二、MIMO系统与无线信道容量的相关性分析
2.1影响无线信道容量的主要因素
理想状态下，MIMO系统的无线信道之间的矩阵是相互独立的，如果排除时、频、空三域的中各子信道的交互影响，无线通信的信道容量可以达到最佳状态。但是在无线通信的实际情况中，相关性成为影响通信信道容量的不可忽视的因素，以频率选择为主的衰落信道，其传递函数主要表现为频域方面的相干性，此时，传递函数如果在一定时间内的传递无显著地变化，则被称为慢衰落信道，相反为快衰落信道。时域相干性也是同样的道理。相比于时域或频率来说，空域相关性对MIMO系统中的多径信道容量造成的损害最为严重，这主要与MIMO系统的天线阵列、路径角度、波长等多个方面有联系，因此，通过减少空域对MIMO系统的相关影响，可以为建立可靠的通信信道奠定理论基础。
2.2MIMO系统中空域相关性与信道容量分析
MIMO系统的天线常见的有均匀环形、均匀线性排列两种，笔者将以六根完全相同的天线构成的环形阵列为例进行分析，六根天线均匀的分布于360°圆周上，每根天线具有全方向性，无线通信的空间分布可以有两种情况：第一种情况为在空间分布上认为是均匀分布，则角能量分布2的倒数，其中2为以θ为中心的达到角的范围，如果较小，通过普拉斯变化可得到第m个和n个天线之间的空间相关矩阵模型，在此基础上通过对均匀分布的仿真实验得知，均匀分布天线之间的相关性系数随天线半径的减小而增加，同时也随增大而幅值变小。这从另外一个角度说明MIMO系统空域相关性与天线半径有着密切关系，当相关系数接近于0时，MIMO的信道容量达到最大值。第二种情况为在空间分布上认为是非均匀分布，可以得到拉普拉斯和高斯分布条件下的空间矩阵相关模型，拉普拉斯条件分布与均匀分布相关性类似，高斯分布则相关系数的变化并不明显。由此可见，不管是服从哪种分布，如果系统天线如果彼此之间的间距越大、来波角域越宽、达角垂直于阵列方向时，空域相关性越差。通过采用相关系数较小的天线能够提高通信质量，但一定空间范围内，随着MIMO系统天线数量的增加，将导致天线排列距离靠近，使得系统的空间相关系数变大，通信信道容量重新变小。
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【关键词】 人民防空 短波
一、人防常用的短波天线
短波通信系统的效果好坏，主要取决于所使用电台性能的好坏和天线的带宽、增益、驻波比、方向性等因素。人防短波通信一般选用军用短波自适应电台，其工作频率稳定，性能好，环境适应性强。所以，针对固定台、车载台、野外训练台等不同情况，天线的选择和架设以及工作频率的选择成为了人防短波通信的关键。
（1）斜天线和双极天线。斜天线主要用于固定或临时性通信，通信距离相对较远。天线的方向可以随意改变，相对于双极天线较为灵活，但通信有一定的方向性。其倾斜方位和角度设置参考鞭状天线倾斜状态设置。双极天线主要用于固定通信，通信距离相对较远。天线的方向性一般不能随意改变，通信有一定的方向性。天线的架设相对较为复杂，建议在训练中摸索两根极线之间的角度和极线平面的倾斜角对通信效果的影响。（2）鞭状天线。当处于竖直状态时，作为全向天线使用。此时主要通过地波进行近距离通信。当处于倾斜状态时，作为定向天线使用。此时主要通过电离层反射电磁波进行较远距离通信。机动指挥通信车停放方位、天线的倾斜角度和通信距离之间的关系会影响通信效果。此时，机动指挥通信车的中轴线应指向通信的方向，天线向远离对方短波电台位置的方向倾斜，并根据通信距离设置倾斜角度。（3）三线制倒V天线。三线制倒V天线是近年来较为流行的新型天线，其原理与普通偶极天线相同，如果采用平行横拉方式架设，即为普通双极天线；如果采用倒V方式架设，其天线方向图在垂直面有较强的对空辐射，在水平切面主副波瓣区别不大，整体为一近似圆锥，适用于全向通信。从使用效果看，单边带话通联率远好于原先的普通小型宽带天线，接收等幅报信号也好于现有双极天线。
二、人防短波通信网络
人防短波通信网络一般包括固定台和车载台。固定和车载短波电台的主机设备基本相同，区别主要在于天线种类的选择和安装。
（1）人防固定短波电台。固定台一般都设在人防指挥中心，空间较大，便于主机设备安装和人员操作，天线一般都选择作用距离范围大的全向天线，如双极式天线，固定架设在高层楼顶，发射和接收电磁波不易被其它建筑物遮挡，通信效果较好。固定台在建设时，重点要考虑天线架设，应尽量选择架设在附近的制高点，根据楼顶结构和空间合理规划天线布局，实地检测周围电磁环境的影响并采取一定措施，确保达到通信要求。（2）车载短波电台。车载台是机动指挥通信车主要通信手段之一，车辆内部空间狭小且设备数量较多，设计时必须从总体角度综合考虑整个系统设备的使用和相互影响。短波电台主机设备应安装在车内便于人员操作的位置，天线调谐器和天线应安装在车顶。由于安装空间的限制和快速实施应急通信的需要，通常选择固定结构简单、易于架设的鞭状天线。它主要用于行进间通信，通信距离相对较近。同时，选择15米斜天线和44米双极天线用于距离较远的临时性通信。
三、气象对短波通信的影响及选频规律
在测试过程中，短波电台上午的通信效果明显好于中午。原因可能是白天电离层不太稳定，影响短波通信，只能采取更换频率的方法改善通信效果。
电离层的浓度对工作频率的影响很大，浓度高时反射的频率高，浓度低时反射的频率低。电离层的高度和浓度随地区、季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而变化，这决定了短波通信的频率也必须随之改变。为了取得良好的通信效果，应根据通信距离和地形的要求选择相应天线，同时根据通信距离、通信时间、通信时天气状态等因素选择最佳频率，避开干扰频率。一般来说，在早晚选择较低频率，如5MHz左右；中午选择7-8MHz。
四、机动指挥系统短波电台设台
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一、低增益全向天线
这种天线通常具备很高的全向性，它的结构也主要包括交叉下垂偶极子天线，除此之外还包括四分螺旋天线和微带圆柱盘天线等。通常情况下，偶极子天线会保持着交叉下垂的状态，并且会通过一对偶极子天线在中心处，以交叉和垂直的方式组合而成。四根螺旋线的馈电幅度相同，相对相位分别为0度、90度、180度、270度。但是因为它占据了所有同步卫星轨道，所以无法继续进行轨道复用。
二、中增益追踪天线
中增益追踪天线有两种方式可以实现对卫星的追踪，分别是电控相控阵天线和机械自动调向线天线阵。
2.1电控相控阵天线
相对于机械控制定位线天线阵来说，电控相控阵天线更加的灵活、可靠。这种天线能够完美地和地面的移动物体保持一致的形状，且具有十分美化的外观，很难被发现。当天线进行定向时，第一步就要在两个交叉方向，水平和垂直方向上接收着最强的信号，继而通过后来接收到的强信号完成定向系统的初始化进程。通常情况下，追踪模式会通过连续天线扫掠来完成对电控相控阵天线的把控，同时也会利用速率传感器完成把控。在这种把控方式和力度之下，当衰减现象变得更加明显时，就会抑制住闭环系统所发挥的作用。此时，开环系统就开始启动，并且会维持大约数秒种的时间，从而帮助传感器完成漂移，达到初始化状态。
2.2机械控制定位线天线阵
在中增益追踪天线当中，机械控制定位的天阵线属于成本较为低廉的追踪天线。尽管该天线与地面移动物体之间的共形性较差，但是其具体的外观和尺寸与低增益天线不同，是由多个微带贴片组成的天线阵，这就使得其闭环系统主要采取的方式是单信道脉冲技术，其开环系统主要采取的是速率传感器技术，最后由两者共同协作，完成天线定位。这种定位方式相对来说更加准确、可靠。完成定位之后，微带贴片就会被切分成两半，产生和信道和与差信道，继而将差信道调制入和信道当中，最后通过接受线路来完成对和信道的检测。为了尽量减弱衰减的影响程度，必须通过和信号对差信号进行归一化处置，目的是为了尽可能产生误差信息。运行过程中，通常会通过搜寻系统来完成最强轴向信号系统的搜寻工作，以保证卫星能够被天线追踪到，然后一旦追踪到之后，闭环系统就开始发挥作用。信号严重衰减时，开环系统启动，维持数秒钟，完成初始化工作。
三、实际应用
卫星通信系统中，常采用低增益全向天线应用于车辆移动站的终端天线上，其仰角为20度到60度，其增益为3至6dB。这种天线的花费较小，且使用较为简单。通常，移动车辆会利用机械控制或中等增益平面来追踪天线，这种天线仰角为20度到60度，方位角为360度，增益为10至14dB。对于固定站的移动终端来说，其通常采用强方向性的天线来追踪天线，其增益能够达到15dB至22dB之间，其仰角为5度到90度，这种天线的结构通常为一维天线阵。因为一些特殊原因，因此这种天线阵大多采用螺旋天线，因为首先，其结构较为简单，容易进行功率馈送；其次，具备覆盖接收和发射频段的宽频带特征；最后，机械结构不复杂，易于上手，每个阵元能够提供7.5dB的增益，能够通过波束的振动，实现误差检测。当前，卫星移动通信已经发展到了航空通信领域，如何进一步提升其应用范围，是非常值得探讨的话题。
四、结论
综上所述，笔者可以得出结论：相对于中增益天线来说，低增益的全向性天线具备良好的全向接收特性的优点，不需要对卫星的信号进行追踪，且具备非常高的性价比，使用成本较低，但同时也存在一些缺陷，就是对于卫星的发射能量有着非常高的要求，且无法进行信道复用；中增益天线则具备较高的增益，且星间的隔离性较强，可以用于信道复用，但是同样无可避免地存在一些缺陷：其波束较窄，因此地面的物体进行移动或者是转向时，中增益天线必须电控或者机控来保持追踪状态，从而确保天线指向卫星。尽管电控相控阵天线具备非常良好的性能，但是其使用成本较高；机械调向天线阵成本较低，但其共形性又有所欠缺。
作者:李明珲 单位:吉林吉大通信设计院股份有限公司
参考文献:
[1]无奇.卫星移动通信终端天线技术研究[D].东南大学，2015.
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对浦东机场使用的NORMAC公司生产的24单元航向天线阵的信号合成和信号覆盖进行分析与计算。通过不同的合成方法进行优化，获得了与对数周期偶极子天线（LPDA）场型分布高度吻合的分布函数。使用对数周期偶极子天线的水平方向的分布特征，来对比全向天线阵的信号合成与对数周期偶极子天线阵的信号合成的差别。分析结果表明：对数周期偶极子天线能够明显抑制大角度旁瓣信号的辐射，从而降低机场附近因信号折射造成的干扰，并能够有效提高航向覆盖区内的射频。
【关键词】航向信标 对数周期偶极子天线 拟合 覆盖
1 引言
在仪表着陆系统中，航向信标主要为飞机提供水平方位的引导信息，航向天线阵主要使用对数周期偶极子天线（LPDA）。由于LPDA频带很宽，性能优良且结构简单，自1960年提出后，在短波，超短波，微波低端等波段的通信，侧向，电子对抗等方面得到广泛应用。所谓对数周期，指的是天线的特性按照对数频率的周期而变化，从结构上说，由七个偶极子组成，偶极子的长度和间距都是可以调节的，相邻的偶极子彼此反相馈电，这种馈电方式抑制了反向信号的辐射，一般前后辐射比可以达到26 dB。同时尖端馈电使得辐射方向更集中，天线本身具有良好的方向性便成为一个很大的优点。本文选择Normarc 3500系列天线阵的24单元天线为例，通过对远场信号模拟，从LPDA分布特点以及天线阵的馈电信号合成上入手，对比LPDA和全向天线在覆盖，研究LPDA所起的作用。
2 结果与分析
本文以浦东机场17L为例，载波频率f：110.7 MHz，对应λ= 2.71 m，发射天线高度为h：3.3 m，航向天线阵后撤距离D：295 m，以此参数进行计算。
2.1 3525型航向天线阵的介绍
NORMARC 3525天线系统，共有24个发射天线（以下简称24单元），采取等间隔排列，间隔距离为四分之三个波长（中心频率：110.1 MHz），天线阵全长57米。
2.1.1 对数周期偶极子天线（LPDA）
图1为Normarc公司生产的LPDA在自由空间的水平辐射方向图，天线的比例因子τ：0.93，顶角α：10°。半功率（-3 dB）对应的角度：23°，其分布特点为0°时信号最大，随着方位角的增大，信号快速减小，当方位角超过70°，其衰减已将至-30 dB以下。而在后方约120°到180°之间由出现了两个小波瓣，均在-25 dB以下。180°位置的大小约为-26 dB，其增益能达到9～10 dBi。由于分析需要，必须找到LPDA的分布函数，但是依照天线尺寸和内部馈线分布进行其严格的计算，过程十分繁琐。从实际出发，将厂方给出的LPDA分布作为标准值，找到一个与标准值吻合的数学表达式，作为其LPDA分布函数也不失为一种有效的方法。
2.1.2 对LPDA分布的数学拟合
图2通过三种拟合方式给出LPDA分布，并与实际值进行吻合性比较。首先借鉴天线阵的信号合成思路，用天线对合成方法进行嵌套拟合。通过观察可以发现，LPDA的分布特点与正余弦函数有相似之处，不妨利用三角函数来拟合，如果用多项式叠加拟合，符合度可以进一步提高，最后结果如右图蓝色曲线所示，拟合曲线与实际曲线符合度极好，这便保证了以下分析中，利用LPDA模拟场形分布等计算的合理性。根据附件十，航向水平覆盖范围是±35°，而以上曲线拟合范围为±70°。
以下所用分析均使用第三种拟合的方法的结果进行计算。
2.2 天线分配单元（ADU）及天线阵的分布
天线分配单元决定了馈送给每个天线哪些信号，馈线信号的幅度以及初始相位。而天线阵的位置分布对于合成信号起着很大作用，不同厂家不同单元的天线阵，其分布方式也不同。
2.2.1 ADU简介
天线分配单元（ADU）包含了分配到每个天线的信号种类，每种信号对应的幅值和相位。表1给出了24单元，天线分配关系。其中给出了四个通道：COU-CSB，COU-SBO，CLR-CSB，CLR-SBO之间，幅值和相位的相互关系，并确定了其名义宽度为4°所对应的COU-SBO幅度。
2.2.2 天线对合成原理
对于航道信号，以中心为基准，相距相同距离的每一对天线合成波瓣，经过每一对的叠加后，达到方向性很好的覆盖信号，其中CSB是同幅值同相位合成，航道上有最大值，SBO为同幅值反相位，航道上为零，合成波瓣左右相位相反，达到辨向的目的。对于初相位不同幅值（E0）相同的天线对在远场空间合成波瓣的公式为：
Et=2E0cos[hsin（θ）+（φ1- φ2）/2]/ （φ1+ φ2）/2
（1）
h为天线到中心点距离的电气长度，θ为方位角，往1号天线转，φ为天线初始相位。斜杠后下划线部分为合成波瓣的相位。同幅值同相位合成波瓣2E0cos[hsin（θ）]/φ相位与同幅值反相位2E0cos[hsin（θ）-90°] /φ+90°= 2sin（hsin（θ）） /φ+90°。SBO初相位-90°与+90°保证了合成的波瓣与CSB同相。
2.2.3 信号的数学表达式-信号叠加原理
由表1给出数据，通过远场天线对合成方法，即1号和24号，其幅度和到中心线距离都相同组成一对，2号和23号组成第二对……共12对，根据信号叠加原理，总的合成信号可以通过每一对信号叠加进行计算，其CSB合成信号表达式分别为：
（2）
其中En是对应天线的相对幅度，Dn是天线到中心线的物理距离，乘以2π/λ后转化为电气长度，φn理论上是0°或180°，而实际上由于发射电缆的电气长度不完全相同会有所差异。
2.3 信号合成与分析
对于24单元天线阵，对于单元天线水平辐射方式均为图一所示，而不是简单的全向性。直接将这种分布叠加合成，其场型分布就更为复杂，计算难度也随之提高。
2.3.1 方向图乘积原理
为了解决计算的问题，需要找到一个简便合理的方法，而不直接使用LPDA天线对合成，这里提出一个方案：方向图乘积原理：一个可分解的多元天线阵的方向图，等于子阵的方向图乘以子阵为单元天线阵的方向图。即我们可以先使用全向性的24个天线进行叠加，叠加之后的场型再乘以每个天线的LPDA方向图，从而获得最终分布方式。
这是模型计算可行性的理论依据，同时，按照这个原理，还可以直观的比较全方向天线阵的合成场型与LPDA天线阵合成的差异。
2.3.2 覆盖
根据国标规定航向信标台发射水平极化的扇形合成场，其信号覆盖区为：以航向信标天线为基准，在跑道中线延长线±10°以内为25 Nm（46.3 km），在+10°～ +35°以及-10°～ -35°之间为17（Nm）31.5 km，如图3所示。
由上述（2）式的信号叠加，可以得到24个全方向辐射的天线空间信号，通过对实际设备辐射场强的模拟计算，其合成后的辐射分布如图4所示。在航道线上的功率最大，航道CSB约-65 dBm，之后迅速减小，6°以外直接降到-100 dBm以下，此外的信号完全由余隙CSB占主导。对于余隙CSB的分布，除了航道线和±42°的位置有下降外，其它角度上的射频值基本稳定维持在-75到-80 dBm之间。然而由图3的覆盖要求可知，真正需要覆盖的信号区域是在±35°以内，之外的信号是不必要的。
2.3.3 LPDA在覆盖中的作用
为了改变能量的辐射分布，用对数周期偶极子天线来替代全方向天线，其辐射分布计算结果如图5所示。与图4中相比，可以明显看到大角度情况下信号的削弱。尤其是覆盖区以外，±40°之后的信号得到了有效的抑制。大角度信号的衰减都集中到了小角度上，在航道线上，射频达到约-55 dBm，比全向天线高了约10 dB，这就是LPDA的增益。
在实际情况下，飞机不会对航道CSB和余隙CSB分别接收。根据捕获效应，两个频率十分接近的信号同时到达接收机，一个较强，一个较弱，强的信号被解调，弱的信号被抑制。所以最终的覆盖信号由航道和余隙共同组成，小角度由航道CSB主导，大角度由余隙CSB主导。图6给出了全向天线和LPDA的覆盖，以及飞行校验的射频门限（-93 dBm）。
3 结束语
以NORMARC 3525的24单元航向天线阵为研究对象，根据技术手册中公布的辐射分布资料，建立了对数周期偶极子天线（LPDA）的辐射函数。
根据实际设备的信号辐射情况，在远场下，通过天线对合成原理，建立天线阵模型。进行了天线阵的信号覆盖分布的计算。并通过对全向天线和LPDA的辐射分布进行比较，差异化分析。对比表明：
（1）LPDA能够有效抑制大角度辐射信号，避免多径干扰；
（2）大比例的前后幅值能够降低对背面障碍物的净空要求，同时又省去了安装反射网的步骤；
（3）相对于全向天线有9到10dB的增益，使得在航向覆盖的±35°范围内均能得到有效提高，有效避免覆盖不足。
参考文献
[1]7000B Training Manual 24036-042[Z]， June 2012.
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关键词：M型天线系统 捕获效应 场型
中图分类号：V267 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（b）-0013-02
1 MK10型下滑设备理想辐射的场型
一般情况下，下滑角设计为=3°，以横轴X=，纵轴Y=E（），根据公式（1）～（3）绘制出M型下滑设备的理想场型图如图1所示。
在低角度区域（1°以下范围）CLR信号强度远远大于CSB信号并且两者之间设有频差，根据捕获效应原理，机载接收机接收CSB和CLR信号中较强的CLR信号作为主导信号，抑制了CSB信号。而MK10型下滑CLR的调制信号只有150 Hz，所以给飞机一个向上飞的指示（150 Hz占优），这就是M型天线系统中CLR的作用。
在下滑道（=3°）上SBO场强为0，调制度差DDM取决于CSB的90 Hz和150 Hz调制度，而90Hz和150Hz调制度相等，故DDM=0；下滑道下方，虽然CSB的90 Hz和150 Hz调制度相等，但是对于SBO场型，90 Hz和150 Hz的相位相反，此时为+150 Hz和-90 Hz。SBO的+150 Hz加强了下滑道下方150 Hz信号，而-90 Hz削弱了90 Hz信号，形成了150 Hz>90 Hz的结果；在下滑道上方的情况恰好相反，为90 Hz>150 Hz。
2 MK10型下滑设备中天线故障时的辐射场型
由于中天线馈入的射频信号包括CSB和SBO，因此，中天线故障必然改变CSB和SBO的辐射场型。下面根据中天线故障时信号幅度衰减程度的不同，分别绘制信号幅度衰减为正常值的一半和衰减为0的辐射场型图，来分析中天线故障带来的场型变化趋势。
（1）当中天线的信号幅度衰减为正常值的一半时，信号场型如图2所示，此时公式（1）、（2）中表达式第二项的系数分别为0.25和0.5。
（2）当中天线的信号幅度衰减为0时，信号场型如图3所示，此时公式（1）、（2）中表达式第二项的系数都为0。
对比图1～3，可以发现中天线故障时辐射场型变化的特点：
①CLR信号没有变化。
②在下滑道（3°）上，CSB的幅度无变化，SBO的场强都为0，调制度差DDM=0。
③在3°角以上，随着中天线信号的减弱，CSB和SBO的信号幅度变小，相位特性没有变化。
④在低角度区域，随着中天线信号的减弱，CSB的场强逐渐增大，当中天线信号为0时，CSB信号强度完全超过了CLR信号。这带来的结果就是飞机在低角度区域很难收到甚至根本收不到CLR信号，即不能给飞机提供上飞指示，容易触发近地告警。
⑤在3°角以下，随着中天线信号幅度的减弱，SBO在下滑道下方出现反相点：如图2中的=2°，SBO场强为0，在2°以下出现了90 Hz占优（而本应该150 Hz占优）的情况。严重时（如图3），下滑道下方SBO完全反相，此时除了3°角之外都是90 Hz占优，飞机始终收到下飞的信号，进而触发近地告警。
3 中天线故障对监控部分的影响
对于MK10型下滑设备而言，上天线取样信号（CLR+SBO）经过移相器调整相位后，在混合器中抵消掉下天线取样信号（CSB+SBO+CLR）中的SBO和CLR信号，从而获得下天线CSB信号。此CSB信号分为两路，一路作为航道检测，另一路与经过相位调整的中天线取样信号（SBO+CSB）进行比较得出宽度DDM。余隙信号的检测则是由上天线取样信号与CSB取样信号混频获得。
由此可见，当中天线故障，若其他组件都正常时，下滑宽度会出现变化，而航道和余隙信号则正常。
4 结语
上述的场型是基于理想状态下远场的辐射图进行分析的。在实际情况下，下滑设备辐射的场型可能受到场地、天线挂高，天线偏移、障碍物等等的影响，实际场型存在偏差，但是中天线故障带来的场型变化与上述分析是一致的。
随着中天线信号的减弱，SBO信号在下滑道下方出现反相点；严重时，在下滑道下方SBO信号完全反相，且CSB信号强度大于CLR信号强度。这会导致飞机在错误的信号引导下，始终向下偏离正常下滑道，进而触发近地告警。而设备监控器显示的下滑宽度会随之变化，但是航道DDM与余隙信号不一定会变化。
参考文献
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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。
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815~821MHz(移动台发)和860~866MHz(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ANTELBCD-87010、单极化定向天线ANTELRWA-87027、双极化天线DPS60-16RSX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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