智能天線（SmartAntenna或IntelligentAntenna）最初應用于雷達、聲納及軍用通信領域。近年來，現代數字信號處理技術發展迅速，DSP芯片處理能力的不斷提高和芯片價格的不斷下降，使得利用數字技術在基帶形成天線波束成為可行，促使智能天線技術開始在無線通信中廣泛應用。由于智能天線能顯著提高系統的性能和容量，并增加了天線系統的靈活性，未來幾乎所有先進的移動通信系統都將采用該技術。

智能天線提高系統性能的原理

智能天線分為兩大類：多波束天線與自適應天線陣列。多波束天線利用多個并行波束覆蓋整個用戶區，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元數目而確定。當用戶在小區中移動時，基站在不同的相應波束中進行選擇，使接收信號最強。因為用戶信號并不一定在波束中心，當用戶位于波束邊緣及干擾信號位于波束中央時，接收效果最差，所以多波束天線不能實現信號最佳接收，一般只用作接收天線。但是與自適應天線陣列相比，多波束天線具有結構簡單、無須判定用戶信號到達方向的優點。自適應天線陣列一般采用4～16天線陣元結構，陣元間距為半個波長。天線陣元分布方式有直線型、圓環型和平面型。自適應天線陣列是智能天線的主要類型，可以完成用戶信號接收和發送。自適應天線陣列系統采用數字信號處理技術識別用戶信號到達方向，并在此方向形成天線主波束。

現在，簡要地介紹一下智能天線如何克服無線通信中的時延擴展和多徑衰落來提高系統的性能和容量。設天線陣列的不同天線元對信號施以不同的權值，然后相加，產生一個輸出信號。如果定義“天線增益”為在一定輸出信噪比的情況下所需要輸入信號功率的降低，“分集增益”為在有衰落的情況下給定誤碼率所需要輸入信噪比的降低，那么一般來說，M元的天線陣列可以提供M倍的天線增益加上一個分集增益，具體提高的值決定于天線陣元間的相關性。

首先我們考慮多波束天線。多波束天線是在一個扇區內放置多個天線來覆蓋整個扇區，每個天線只覆蓋一部分角度范圍。扇區天線的另外一個優點就是在下行的波束方向可以利用上行的波束方向，這樣在下行方向也可以獲得M倍的天線增益。但扇區天線由于其自身的構成形式，有下面缺點：相鄰天線之間重疊的部分由于天線增益比較小，會有2dB的降低；當由于多徑或干擾而錯誤地鎖定天線波束時，多波束天線能提供的增益很小。

自適應天線陣列中，各天線元的放置形式可有多種，相鄰天線元間距為一特定值。在接收信號到達天線陣時，每個陣元上的信號經過不同的加權，然后再疊加產生一個輸出信號，加權系數和疊加可以根據不同的準則。需要注意的是，自適應天線的陣元必須具有相似的波束，而在多波束天線中則沒有這樣的要求。與多波束天線相似，一個M元自適應天線陣可以提供M倍的天線增益，但它沒有波束之間部分重疊的缺點。M元自適應天線陣列可以完全抑制N（N〈M）個干擾用戶，即使在N＞M時也可以獲得很大的增益。盡管自適應天線較多波束天線有更多優點，但自適應天線計算加權系數的速度必須與衰落速率相當才能跟蹤用戶（注意到3G中衰落速率將達到1000Hz）。然而，多波束天線波束之間的切換只要幾秒鐘一次即可。

自適應天線陣列用在無線系統中一個關鍵問題是在視距（LOS）和非視距（NLOS）情況下的性能差異。在視距情況下，對接收到的信號進行加權、合并后產生一個天線圖案，它的主波束方向就指向目標用戶，而在其它方向上抑制干擾用戶。此時，若天線陣元數大于到達的信號數，可以用信號處理中MUSIC、ESPRIT等現代譜估計算法來估計信號的到達角度，這樣一個陣列至少可以在M－1個方向上形成方向圖零點。在非視距情況下，無線信號的到達經由了多次反射和多個途徑（兩條不同路徑之間的相對時延大的必須作為兩條獨立的路徑）。自適應天線在多徑環境的一個重要特點就是能夠抑制干擾用戶而不管其到達的方向，也就是說，即使干擾用戶和所有用戶只相距幾英寸，自適應天線陣也能抑制干擾用戶。這是由于在多徑環境中天線周圍的物體就是一個巨大的反射天線，使得接收天線陣列能夠區分不同用戶的信號。特別是若接收陣元間距足夠大，陣列能夠形成比擴展角度小的波束。能夠區分的信號數隨天線陣元數、角度擴展，在擴展角度內多徑反射密度的增加而增加。從這個意義上來說，多徑是一個有利的因素。但由于時延擴展，自適應天線把時延信號作為干擾信號而進行抑制。M元的自適應天線可以抑制M－1時延信號，這是一個很不利的因素。為了充分利用接收到的信號，我們可以在每個天線陣元上加一個時域的處理，比如自適應均衡或RAKE接收，然后再進行自適應波束形成。

天線波束的實現方式