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1有源天線原理與基本特性

有源器件與無源天線構成了一個不可分割的整體，改變了天線金屬導線表面電壓和電流的分布狀況，減少了由于電子頻率變化對輸入抗阻的影響，由此極大增加了帶寬有源接收天線的帶寬，可達上百個倍頻程。有源天線在波變換器的基礎上與有源電路相結合形成一個有機的整體。由于波變換器的構造類型種類繁多，同時可以與電路形式交叉多種類型,從而極大提高了設計上的自由度,最大發揮有源天線優越性。（1）在頻率較高的波段，由于波長較短，天線可以做到小型化。但是在微波的低頻段以下，有源天線可以實現小型化。（2）有源天線提供了波變換器的方向性增益（即外部增益）；同時有源電路部分也提供了電路增益（即內部增益），基于這兩點增益提高了系統輸出信號的電平。（3）有源天線系統中有源電路部分是四端口網絡，這樣的設置在系統接入相匹配網絡時，輸入端和輸出端可以實現有效的阻抗轉換。（4）由于天線對稱性與饋線的不對稱性之間會導致系統連接的不平衡性，應用有源天線可以降低這種不平衡性，提高無線電系統的電磁兼容性。（5）有源天線可以提高收信系統的信噪比及靈敏度，降低噪聲系數,使天線工作更加穩定可靠。（6）有源天線可以提高發信天線系統的效率且易于實現對天線方向性系數的控制。

2有源天線的構架

有源天線是無源電小天線導體與有源電路結合構成。天線單元上連接無源電小天線導體后可以減少天線陣中相鄰單元之間相互耦合的影響，這樣就可以縮小天線陣中相鄰單元之間的距離。通常情況下天線自由空間波數與包圍輻射器最大尺寸的假想球半徑乘積小于0.5時，均可視為電小天線。常用的電小天線有包括電偶極子、電短電對稱陣子及電小環形天線等。在無源天線耦合安裝晶體管自身放大倍數以及晶體管在垂直金屬導線上的安裝位置決定了有源天線的尺寸大小以及固有波長，但是晶體管的參量是不能影響天線的固有波長。如果晶體管安裝位置是天線垂直金屬導線的輸入回饋線，總體上晶體管基本不會影響天線尺寸。這種情況下晶體管只能看成為與天線連接的一個放大器或阻抗變換器。但是如果晶體管安裝位置是垂直金屬導線的頂端，這時晶體管的放大倍數就會對天線尺寸大小起著至關重要的作用。晶體管的放大倍數影響著天線的固有波長。天線的高度遠遠小于天線固有波長。有源天線上部水平導線不在參與輻射，只是改變垂直導線上的電流和電壓分布。無源天線頂部加載電小天線的最為主要作用是使垂直導線頂部荷載電流達到某一數值。值得注意的是天線的垂直導線頂部增加上一個電小天線放大器，增加了無源加載時的荷載電流。當增強了加載的作用時電小天線放大器的放大倍數越大，作用就越為明顯。電小天線放大器放大倍數直接決定著有源天線的尺寸大小。因為電小天線放大器能將這個導線頂部荷載電流以幾何級數放大，所以有源天線的尺寸大大地減小。低噪聲放大器在任何有源天線系統中都置于前端位置,這是因為前端放大器的噪聲系數決定了有源天線系統的噪聲系列參數。該有源電路的噪聲系數的單一非線性和匹配性對整個有源天線系統影響巨大。Z0為特性阻抗，當晶體管端口2-2＇接負載Z1時，可以求得輸入端反射系數和與之對應的輸入阻抗。當晶體管端口1-1＇接負載Zs時，可以求得輸出端反射系數和與之對應的輸出阻抗。可以利用網絡的入射功率，反射功率，輸入功率來進行放大器各種功率增益的分析。放大器的工作功率增益是指放大器輸出端口傳送給負載的功率與放大器輸入端口的功率比值。它是放大器在實際工作中提供的真實功率增益的量度，還可以通過調整資用功率增益、轉換功率增益來使得放大器與網絡達到相互匹配，使得有源天線達到更加好的工作狀態。電小天線是有源天線中主要的組成構件，同時對有源天線的性能、功率有著直接的影響。電小天線輻射品質因數（簡稱Q值）是天線電尺寸的函數，天線電大小對其Q值與天線電尺寸成正比。Q值是最小值，是不能無限的降低的。ChuLJ利用球型波函數和球型貝塞爾函數的循環關系確定球型TM模和TE模的波阻抗對應的集總等效電路模型。電小天線的技術指標主要包括阻抗特性和輻射效率兩方面。假設天線導體內電流呈余弦分布，同時認定導體表面到導體內部的電流分布密度呈指數逐步衰減的趨勢。以導體直徑大于0.5mm的長度為1m偶極有源天線為例。在ka=0.5處，天線輻射效率均大于90%。當ka值遠小于0.5時，天線的效率則急劇下降趨于0。所以當使用電小天線的時候，為了得到較高輻射效率，則需要適當地增大天線導線的直徑。當電小天線選擇合適直徑的導體時，有源天線可以忽略損耗電阻的影響。由于電抗為負數，則其表現為一個小電容，但電容值基本不隨頻率變化，當選擇足夠粗的導線作為電小天線的導體時，損耗電阻可以忽略。

3有源天線網絡應用

有源天線的出現使網絡優化可以成為現實。有源天線將無源電波輻射器與有源射頻電路發射裝置有機地結合為新一代基站設備。有源天線的一體化就是將基站中射頻發射部分統一集中到有源天線內部，通過多端口的射頻和天線陣模塊排列配合，完成射頻信號的收發。有源天線的應用不僅可以大大降低系統內部輻射損耗，同時還可以提高網絡覆蓋面積，簡化地面、塔面設備，減少大量的建設資金同時縮短了工期。有源天線網絡連接的基本結構是天線矩陣中單一天線陣子與有源天線連接，其中包含了A/D轉換器、放大器，低噪聲放大器，天線共用器，數字信號處理模塊通過內置可編程功能模塊來控制所有的微型單元，從而實現了數字信號同步功能和數字波束賦形基帶（中頻）信號的最佳組合或者分配。有源天線內部的射頻部件與傳統的基帶信號轉成光信號傳送，與遠端放大技術相比較，主要區別是采用了大量的矩陣化、集成化微型化的無線電芯片和低噪聲放大器，雙工器。采用這種結構的有源天線能夠進一步減少饋線之間由于相互的電磁影響而導致的功率損耗。在相同輸出功率的情況下功耗更小，有源天線射頻部分置于塔頂可以通過自然散熱來降溫，機房內空調使用率就會大大降低，從而有效降低移動網絡的總體能耗。由于有源天線矩陣中每個陣子配備了獨立的接收發射單元，通過這種獨立的單位控制信號幅度和波形相位，同時具備電子下傾功能，通過增加下傾角度，可以使基站扇區覆蓋面積縮小，但不產生新的信號干擾，同時大大提高了機頂輸出功率和接收機的靈敏度。此外，有源天線采用分布式多通道設計結構，整個基站扇區不會因為矩陣中某些陣子的失效影響整體服務功能。當系統自檢發現某些陣子損壞后，系統自身會調整剩余陣子的幅度和波形相位來補償功率增益損失，從而實現自動補償功能（自愈功能），大大提高了系統的可靠性。同傳統的無線基帶控制和射頻拉遠單元相比，有源天線基站在安裝上節省了更多的空間，降低了地面建筑用地。這種高度集成的產品更容易安裝和替換，減少了工程時間和降低人工成本。雖然有源天線技術優勢顯著，應用空間很廣，但是也應該認識到有源天線的大規模應用還面臨著很多挑戰。（1）由于有源天線是集成電路，所有有源集成與天線模塊發射單元結構都需要大量的散熱片，增加了整機的重量。減重成為有源天線的首要問題。（2）有源天線中集成使用收發單元大量使用的數字處理芯片，數字處理芯片設計制造費用偏高，導致有源天線與傳統無源天線基站相比費用增加很多。

總之，有源天線經過近幾十年的發展,已經成為天線領域的一個重要組成部分。由于其相對無源天線的眾多優點,有效地解決了天線某些方面的技術限制，使得無線通信技術進入新的篇章成為可能。

本文作者：鄭曉斌單位：中興通訊股份有限公司