[科普中国]-有源天线

定义

只含金属和介质的一般天线中如果还含有晶体三极管、隧道二极管、变容二极管等有源器件，就成为有源天线。它能改善电小天线的性能。有源天线中的有源器件可以直接装入天线，也可以使天线和放大器连接而组成一个天线系统。普通天线配以有源器件,可以改善电小天线的阻抗，展宽频带,改善系统的噪声特性等，所以有源天线有助于实现天线小型化。

有源天线内部集成了接收天线模块、低噪声放大模块、电源供给模块。它是由固定的低压稳压电源供电。有源天线中的有源器件可以工作在线性和非线性两种情况，互易原理适用于前者，而不适用于后者。

原理及组成结构在有源天线结构中，每一个天线阵子的背后直接连接分布式的微型收发单元（micro-radio），包括数模/模数转换器、放大器（PA）低噪放（LNA）和双工器（duplexer），所有的微型收发单元由数字信号处理模块(digital signal processing，DSP)控制，实现同步功能和数字波束赋形功能，Optical(common public radio interface，CPRI)接口用于连接基带处理单元(base band unit，BBU)，实现I/Q数据的远程传送。图册中图1是一个典型的支持2×2 MIMO（2收2发）的有源 阵列天线结构图。有源天线内部的射频部件与传统的射频拉远模块(remote radio unit，RRU)相比，主要的区别在于使用了大量的分布式、小型化、高集成度、低功耗的RoC（radioon chip）、双工器和小功放。这种结构的有源天线能够进一步减少馈线连接的功率损耗，可使系统具有更 高的信噪比、更好的阻抗匹配以及更宽的频带1。典型有源天线结构如图册中图1所示。

有源天线在移动通信系统中的应用移动通信系统中的有源天线是将基站的射频部分集成到天线内部，采用多通道的射频和天线阵子配合，实现空间波束赋形，完成射频信号的收发。每个有源单元除了作为辐射/接收单元，辐射/接收电磁信号之外，还作为电路的一部分，具有谐振、滤波、功率放大等作用2。

有源天线的技术优势通常有源阵列天线是由多个分布式收发单元和辐射模块组成，每个辐射模块的频率、幅度、相位可控，能形成单个或多个波束，并可控制波束指向及波束重构，以实现大角度范围内的灵活扫描。与传统的无源天线系统相比，有源天线系统具有诸多技术优势2。

1.集成度高，天面要求低，便于快速安装。图册中图2是基站架构演进趋势图，从中可以看出，与当前使用RRH(remote radio head)的分布式基站相比，有源天线基站将射频单元集成于天线内部，节省了RRH的安装空间，大大降低了对天面资源的要求，高度集成产品更容易安装和替换，节省工程时间和人力成本。同时，射频单元内置于天线内部，实现零馈线、零损耗，节省馈线的投资以及馈线损耗对性能的影响，提升机顶输出功率和接收机的灵敏度，对网络覆盖性能的改善大有益处。

2.具有一定的自我修复（self-healing）能力有源天线使用分布式多通路设计结构，具有冗余备份功能，某些阵子的失效不会导致整个扇区失去服务功能，当系统检测到某些阵子损坏后，会通过调整剩余阵子的幅度和相位来补偿增益损失，从而实现自动补偿功能，大大提高了系统的可靠性。自我修复能力如图册中图3 所示，当某个阵子失效后，如果不作补偿，天线方向图与之前相比有一定的偏离和增益损失，经过补偿之后，天线方向图有明显改善，当然，系统的有效全向辐射功率 (effective isotropicradiated power，EIRP)和接收信号水平有一定的损 失，是不能完全补偿的。

3.灵活多样的电子下倾技术使系统覆盖和容量有明显提升由于有源天线每个阵子都有独立的收发单元 ，能够实现对信号幅度和相位的单独控制，具有灵活多样的电子下倾功能，不同的载波 采用不同的下倾角、上下行独立下倾角、垂直多扇区等，仿真结果表明，这些技术便于实现更加精细的网络优化，使系统覆盖和容量有明显提升。

4.节能环保。有源天线将射频紧密集成到天线中，没有了馈线的损耗，在保证相同输出功率的情况下，功耗更小，基站的射频部分置于塔上自然散热，可以大大减少机房内空调的使用，有效降低了移动网络的能耗，同时有源天线简洁好看，视觉效果佳，起到了节能环保的作用。