（电磁场与微波技术专业论文）用于mimo系统的高性能天线设计.pdf

摘要 摘要 多输入多输出( m i m o ) 技术是一种多天线技术，即在发射端和接收端分别 置多个天线用于收发。采用m i m o 技术能在不增加系统带宽的情况下成倍提高l 信系统的容量和频谱利用率，同时也能提高信道的可靠性，降低误码率，它是 - 一一代( 后3 0 黥4 g ) 移动通信的关键技术之一。随着m i m o 技术的发展，对适月 于m i m o 系统的天线的研究变得十分迫切，同时也具有理论意义和实用价值。 本文先设计了两个工作在24 g h z 频段( 24 以4 8 3 5 g h z ) 的小型化全向天线 一个z 型( 水平极化) ，个r r 型( 垂直极纯) 。通过在微带板两词分别印刷一1 z 型和倒z 型贴片，来形成一个电流环，以辐射水平极化波。t 型天线是一个微释 单极子天线，采用共面波导( c p w ) 馈电，具有较宽的带宽。借助仿真软件h f s ! 详细研究了t 型天线臂的长度和宽度、共面波的导尺寸以及介质板的大小和厚盛 对输入端反射系数大小的影响，并给出相应的曲线图，可供工程设计参考。为7 使t 型天线进一步小型化，本文提出了在介质板背面平行于t 型的垂直臂印刷一 个矩形寄生贴片的方法，可以有效地增加带宽，改善方向图特性。以一款常见篚 1 4 ”( 3 1 0 2 5 9 m m 2 ) 笔记本电脑的大小为例，并采用z 型天线和t 型天线作为阵列库 元，分别设计了一个3 x 4 的水平阵和一个2 4 垂童阵。考虑到双频应用，文中话 计了九个可工作在2 , 4 g l - - h 频段和5 2 g - h z 频段( 5 1 5 5 3 5 g h z ) 的双频微带单橱 子天线。测量结果表明：所设计的事型天线和z 型天线以及两个阵歹都具有良好 的带宽和方向图特性，可用于m i m o 无线通信系统。 关键词：m l m 0 系统小型化宽带全向 a b s t r a e t a b s t r a c t m u l t i p l e - i n p u tm u l t i p l e o u t ( m i m o ) i sam u l t i - a n t e n n at e c h n o l o g y ，i nw h i c h m u l t i p l ea n t e n n a sa d ep l a c e ds e p a r a t e l yb o t ha tt h et r a n s m i t t i n ga n dt h er e c e i v i n ge n d s b e i n go n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h en e x tg e n e r a t i o n ( b e h i n d3 go r4 g ) m o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，m i m ec a ne n h a n c ec a p a c i t ya n d 疳e q u e n c ys p e c t r u mu r i l i z a t i o r e f f i c i e n c y o fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i l em a i n t a i n i n g b a n d w i d t h ，i m p r o v e l i n k r e l i a b i l i t y ，a n dr e d u c eb i te r r o rr a t e a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i m ot e c h n o l o g y , t h ed e v e l o p m e n to fh i g h - p e r f o r m a n c ea n t e n n a sf o rm i m os y s t e mi sv e r yu r g e n t ，a n d w i l lb ea l s oo f t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lv a l u e f i r s t ，t w om i n i a t u r i z a t i o na n t e n n a s ，o n ezs h a p e ( 1 l o r i z o n t a lp o l a r i z a t i o n ) a n do n e ts h a p e ( v e r t i c a lp o l a r i z a t i o n ) ，w i t ho m n i - d i r e c t i o n a l p a t t e r n s a t2 4 g h zb a n d r 24 2 4 8 3 5 0 h z ) a rd e v e l o p e d b yp r i n t i n gt h e z ”p a t c ho nt h et o pp l a n eo fs u b s t r a t e a n dt h ei t v e r s e z ”p a t c ho nt h eb o t t o mp l a n e 。ac u r r e n tl o o pi sf o r m e d ，a n da h o r i z o n t a l l yp o l a r i z e dw a v ei sr a d i a t e d t h et - s h a p e da n t e n n ai sam o n o p o l ef e dw i t h c o p l a n a rw a v e g u i d e ( c p w ) ，a n dh a sab r o a db a n d w i d t h w i t ht h es i m u l a t i o ns o f t w a r e h f s s ，t h ee f f e c to f d i f f e r e n td i m e n s i o n so f t h et - s h a p e ds t r i p ，c p wa n ds u b s t r a t eb o a r d o nt h ei n p u tr e f l e c t i o nt o e 擐c i e n ti sd i s c u s s e di nd e t a i l 龃dt h ep a r a m e t e r so ft h e a n t e n n aa r ed e t e r m i n e d i no r d e rt or e d u c et h es i z eo f t - s h a p e da n t e n n af u r t h e r , w ep r i n t ap a r a s i t i c p a t ho n t h eb o u o m p l a n eo fs u b s t r a t e w h i c hp a r a l l e l s t h ev e r t i c a la r mo f t h e t - s h a p e ds t r i p t h u st h eb a n d w i d t ho ft h ea n t e n n ai se n h a n c e d ，a n di t sr a d i a t i o n p e r f o r m a n c ei se 凰e t i v e l yi m p r o v e d t a k i n gac 。m 碰m1 4i n n hn o t e b o o kc o m p m e ra s a ne x a m p l e ，w ed e s i g nt w oa r r a y sw i t ht h ez s h a p ea n dt - s h a p eo n t e l m a sa st h ea r r a y e l e m e n t sr e s p e c t i v e l y , n l ef o r m e ra r r a yc o n s i s t so ft w e l v e ( 3 4 ) e l e m e n t s ，a n dt h e l a t t e r h a se i g h t ( 2 4 ) e l e m e n t s c o n s i d e r i n gt h ed u a l - b a n da p p l i c a t i o n s ，w ea l s od e s i g n n i n em i c r o s t r i pm o n o p o l ea n t e r m a s ，w h i c hc a no p e r a t eb o t ha t2 4 g h zb a n da n d 52 0 h zb a n d ( 5 15 5 3 5 g h z ) t h em e a s u r e m e mr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v e l o p e d a n t e n n a sh a v eg o o db a n d w i d t ha n dp a t t e r np e r f o r m a n c e 8 ，w h i c ha r es u i t a b l ef o rm i m o s y s t e m k e yw o r d s ：m i m 0s y s t e m m i n i a t u r i z a t i o nb r o a d b a n do m n i - d i r e c t i o n 创新性声明 y8 5 8 6 6 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得两安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对奉研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：筠鲤日期基鲤色缸军塑旧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属珏安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许蠢阅和借稠论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 本人签名：茴三堡 导师签名 日期盘靠! 冒矽一 日期型堇1 9 塑 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 近年来，无线通信正在迅猛发展。移动通信从第一代主要采用f d m a 方式的 模拟蜂窝系统，如a m p s 、t a c s 等，飞速发展到目前广泛采用的第二代以t d m a 或c d m a 为主的数字蜂窝系统，如g s m 、d c s l 8 0 0 、i s 。1 3 6 、i s 9 5 等。而第三 代移动通信系统( 3 g ) 又即将投入商用，它也叫“未来公众陆地移动通信系统 ( f p l m t s ) ”，后由国际电联( i t u ) 正式命名为i m t - 2 0 0 0 。它是一个全球无缝覆盖、 全球漫游，包括卫星移动通信、陆地移动通信和无绳电话等蜂窝移动通信的大系 统，可以向公众提供前两代所不能提供的各种宽带信息业务，如高速资料、慢速 图像与电视图像等，传输速率高达2 m b p s ，带宽可达5 m h z 以上。同时，随着因 特网技术的发展，在第三代蜂窝移动通信中已经部分地引入了无线因特网。 正在3 0 逐步走向商用的同时，人们又已经开始研发新一代的移动通信系统， 即所谓的后三代( b e y o n d3 g ) 或者叫第四代( 4 g ) 。目前普遍认为，后3 g 的最高 传输速率将超过1 0 0 m b i f f s ，支持从语音到多媒体，包括实时的流媒体业务；能够 实现全球无缝漫游；具有非常高的灵活性，能自适应地进行资源分配；支持下一 代i n t e m e t ( i p v 6 ) ，而且是全球网络；当然，服务成本低也将是后3 g 的一个重要 特征。 随着无线通信走向宽带高速多媒体应用，频谱资源的严重不足已经h 益成为 遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率， 是当前通信界研究的热点课题之一。于是人们想方设法来提高频谱利用率，以在 有限的频带上实现更高速率的数据传输。而多天线技术就是目前无线通信领域的 研究热点之一，所谓多天线技术，就是在发射端和接收端采用多根天线用于收发。 它具有很高的能力去适应互联网及多媒体服务，并能极大地增加通信范围与可靠 性，能大大提高通信系统的容量，被视为未来无线通信中最有竞争力的技术之， 且己被作为后3 a 的候选技术。利用空间资源的多天线技术主要包括三个方面：空 时编码、智能天线和空间复用。空时编码技术通过分集和编码增益来提高系统容 量，但容量提高的范围有限；智能天线技术通过消除用户之间的干扰来提高系统 容量，但是由于需要在发射端知道信道信息以及运算复杂度，现在还仅用于t d d 系统中；而空间复用技术在强散射环境下可使系统容量大大提高，在一般环境下 对频谱利用率的提高也非常可观。 多输入多输出( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t ) 技术是一种多天线技术，它能在 用于m i m o 系统的高性能天线设计 不增加系统带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，同时也能提 高信道的可靠性，降低误码率。研究证明，采用m i m o 技术的频谱效率可以达到2 0 4 0 b i t s h z ，而使用传统无线通信技术在移动蜂窝和w l a n 系统中的频谱效率仅为 l 5 b i t s h z ，在点到点的固定微波系统中也只有1 0 1 2b i t s h z 。另外，通过理论 分析得知，在独立同分布的高斯信道条件下，当接收天线数大于发射天线数时， 该m i m o 系统的容量随发射天线数近似呈线性增长。普遍认为，m i m o 技术是下一 代( 后3 g 或4 0 ) 移动通信的关键技术之一。而且，它也正开始被应用到无线局域 网中，用来提升w l a n 的性能。 目前，对于m i m o 系统的研究大多集中在信道建模、算法设计、容量分析以及 天线选择、移动性等对信道容量的影响等等，而对适用于m i m o 系统的天线方面的 研究和设计并不多见。在m i m o 系统中，发射端和接收端均采用多副天线，且多副 天线间的发射和接收都是互不相关的信息子流，这就要求多天线之间是互不相关 的。在移动通信基站端，对天线尺寸没有严格的要求，可以通过空间分集的方式 实现多天线间的互不相关性；然而在终端，受移动设备，如手机、p d a 、笔记本 电脑等，物理尺寸的限制，给天线的尺寸和相关性设计提出了很高的要求，既要 做到天线的小型化，又要实现天线间的互不相关性。因此。对适用于m i m o 系统的 小型化和高性能天线的研究和设计交得十分迫切，同时也具有理论意义和实用价 值。 1 2m 口o 系统简介 m i m o 系统就是采用m i m o 技术的系统，可以简单地定义为：在发射端和接收 端分别采用多个天线的通信系统，如图卜1 所示。 图1 1m i m o 系统原理图 根据收发两端天线数量，相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系 统，m i m o 还可以包括s i m o ( s i n g l e - i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ) 系统。实际上m m o 技术由来已久，早在1 9 0 8 年 第一章绪论 马可尼就提出用它来抗衰落。在7 0 年代有人提如将多输入多输出技术用于通信 系统。但是对无线移动通信系统多输入多输出技术产生巨大推动的奠基工作则是 9 0 年代由a t & tb e l l 实验室学者完成的。19 9 5 年t e l a d a r t m 给出了在衰落情况下 的m i m o 容量；1 9 9 6 年f o s h i n i a l 4 1 给出了一种多输入多输出处理算法对角一 贝尔实验室分层空时f d b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年t a r o k h l 5 1 等讨论了用于多输入多输 出的空时码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y l 6 j 等人采用垂直贝尔实验室分层空时( v - b l a s t l 算法建立了一个m i m o 实验系统，在室内试验中达到了2 0 b i f f s h z 以上的频谱利 用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注 意，并使得多输入多输出的研究工作得到了迅速发展。 通常，多径传播要引起深度衰落，因而被视为有害因素。然而研究结果表明， 对于m i m o 系统来说，多径可以作为一个有利因素加以利用。m i m o 系统在发射 端和接收端均采用多天线( 或数组天线) 和多信道，m i m o 的多输入多输出是针对多 径无线通道来说的。输入信息流经过编码形成，m 个信息予流，这m 个子流由m 个 天线发射出去，经空间通道后由n 个接收天线接收。多天线接收机利用先进的空时 编码处理能够分开并译码这些数据子流，从而实现最佳的处理。即它处理的原理 是：将串行的数据流映射为并行传送，接收端再相应地把并行信号流合成串李亍数 据流，接收信号靠不同天线信号在无线信道中的不相关性来区分。各天线的间隔 距离要比较大，以保证信号的不相关性，因此m i m o 系统适合在散射严重的多径环 境使用， 甚至m i m o 系统在没有直射径的瑞利衰落条件下工作得更好，通常选取 莱斯信道模型作为研究m i m o 的信道模型。注意的是，这m 个子流同时发送到信 道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的信道 响应独立，则多输入多输出系统可以创造多个并行空间通道，通过这些并行空间 信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。 系统容量是表征通信系统的最重要标志之，表示了通信系统最大传输率。 对于发射天线数为m ，接收天线数为n 的多输入多输出m i m o 系统，假定信道 为独立的瑞利衰落通道，并设n 、m 很大，则信道容量c 近似为3 】： c = m i n ( m , n ) b l 0 9 2 ( p 2 ) o 其中b 为信号带宽，p 为接收端平均信噪比，m i n ( m ，n ) 为m ，n 的较小者。上式表明，功率和带宽固定时，多输入多输出系统的最大容 量或容量上限随最小天线数的增加而线性增加。而在同样条件下，在接收端或发 射端采用多天线或天线数组的普通智能天线系统，其容量仅随天线数的对数增加 而增加。相对而吉，多输入多输出对于提高无线通信系统的容量具有极大的潜力。 可以看出，此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用 m i m o 通道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下， 频谱利用率可以成倍地提高。利用编码m i m o 系统可以提高信道的容量，同时也 可以提高通道的可靠性，降低误码率。 用于m i m o 系统的高性能天线设计 m i m o 技术是一种多天线技术，即由在空间按照一定的几何形状排列的多个天 线单元组成，每个天线单元都可以独立地接收和发射信号。m i m o 技术的实质是： 为系统提供空间复用增益和空间分集增益。空间复用就是在接收端和发射端使用 多副天线，充分利用空间传播中的多径分量，在同一频带上使用多个数据通道 ( m i m o 子信道) 发射信号，从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。这种 信道容量的增加不需要占用额外的带宽，也不需要消耗额外的发射功率，因此是 提高信道和系统容量一种非常有效的手段。空间分集技术可以分为接收分集和发 射分集两类，通常可以认为s i m o 系统是接收分集，m i s o 系统是发射分集。无线 信号在复杂的无线信道中传播产生r a y l e i g h 衰落，在不同空闻位置上其衰落特性不 同。如果两个位置间距大于天线之间的相关距离，就认为两处的信号完全不相关， 这样就可以实现信号空间分集接收。 m i m o 技术成功之处主要是它能够在不额外增加所占用的信号带宽的前提下 带来无线通信的性能上几个数量级的改善。当前空时编码( s t c ) 技术在无线通信 领域引起了广泛关注，空时编码的概念是基于w i n t e r s 在2 0 世纪8 0 年代中期所做 的关于天线分集对于无线通信容量的重要性的开创性工作。9 0 年代s t a n f o r d 的 r a l e i g h 年d c i o f f i ，瑞士a s c o m 的w i t t n e b e n 进一步奠定了空时码的基础；最近几 年来，l u c e n tl a b s 的f o s c h i n i 和g a n s l 。a t & t 的t a r o k h 及其同事们在这方面 作了关键性工作，率先提出了空时编码的概念阴。空时编码的有效工作需要在发射 和接收端使用多个天线，因为空时编码同时利用时间和空间两维来构造码字，这 样才能有效抵消衰落，提高功率效率；并且能够在传输信道中实现并行的多路传送， 提高频谱效率。需要说明的是，空时编码技术因为属于分集的范畴，所以要求在 多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互 独立性，以充分利用多散射体所造成的多径。空时编码在不同天线所发送的信号中 引入时间和空间的相关性，从而不用牺牲带宽就可以为接收端提供不编码系统所 没有的分集增益和编码增益。空时编码的基本工作原理如下：从信源给出的信息 数据流，到达空时编码器后，形成同时从许多个发射天线上发射出去的矢量输出， 称这些调制符号为空时符号( s t s ) 或空时矢量符( s t v s ) 。与通常用一个复数表示 调制符号类似( 复的基带表示) ，一个空时矢量符s t v s 可以表示成为一个复数的矢 量，矢量中数的个数等于发射天线的个数。目前提出的空时编码方式主要有： 1 ) b l a s t & i 贝尔空时分层结构m e l ll a b sl a y e r e ds p a c e t i m ea r c h i t e c t u r e ) b l a s t 技术是由b e l l 实验室提出的b l a s t 是一种有效的mi m o 处理算法，利用 b l a s t 技术，如同在原有频段上建立了多个亘不干扰、并行的子信道，并利用先进的 多用户检测技术，同时准确高效地传送用户数据，其结果是可以极大提高系统的容 量。b l a s t 系统是以c j f o s c h i n i 为首的一批科学家研制出的，它是由多个天线组 成点对点的无线传输系统，信道之间相互独立，主要利用空间分集特性来挖掘而 第一章绪论 不是克服多径效应，从而大大提高了频谱效率。 b l a s t 系统是天线的分集接收基础上发展起来的。多天线分集接收的前提是 各空间信道的独立性，即信号所经历的衰落过程是彼此独立的，这就要求接收天 线之间保持足够的距离，发端的多天线也要保持足够的距离。b l a s t 系统是点对 点的通信系统，没有考虑系统中存在多用户的情况，一旦应用于多用户系统，不同 用户间的干扰如何解决仍是悬而未决的问题。b l a s t 系统要求在通信过程中信道 变化很缓慢，即在准静态信道下工作。此外，还要求信道中存在丰富的散射体， 以确保各发射信号经过信道散射后能够具有足够好的相关特性来实现彼此区分。 在b l a s t 系统基础上，目前有很多研究者在进行进一步的工作，包括把b l a s t 系统中的结论推广到蜂窝系统和多用户系统中，以及研究b l a s t 系统为代表的m i m o 系统的信道容量和频谱效率等。但这些研究仍处于探索阶段，值得感兴趣的研 究者继续深入研究。 2 ) s t t c 即空时格形码( s p a c e t i m et r e l l i sc o d e s ) 空时格形码是由朗讯实验室的t a r o k h 等提出的空时编码技术，适用于多种无线 信道环境。s t t c 把编码和调制结合起来，能够达到编译码复杂度、性能和频带利用 率的最佳折衷，是一种最佳码。采用s t t c 能同时德到编码增益和分集增益，虽然它 能够提供比现有系统高3 4 倍的频谱效率，但是萁译码复杂度随着状态数的增加 而呈指数增长。 3 ) s t b c 即空时分组码( s p a c e 。t i m eb l o c kc o d e s ) 空时分组码是由a t & t 的t a r o k h 等人在a l a m o m i 的研究基础上提出的。 a l a m o m i 提出了采用两个发射天线和一个接收天线的系统可以得到采用一个发射 天线两个接收天线系统同样的分集增益。t a r o k h 在信遒编码中引入了正交性结合这 种发射分集提出了空时码。空时分组码正是利用正交设计的原理分配各发射天线 上的发射信号格式，实际上是一种空间域和时间域结合的正交分组编码方式。空 时分组码可以使接收机解码后获得满分集增益，且保证译码运算仅仅是简单的线 性合并，使译码复杂度大大降低。 目前，各国学者对于m i m o 系统的理论、性能、算法和实现途径的诸各方面正 广泛进行研究l i “”l ，大致有以下几个发展方向： 1 ) 与正交频分复用( o f d m ) 技术的结合 许多研究人员认为：m i m o + o f d m 是未来的4 ( 3 移动通信系统的主要核心技 术。因为，单一的m i m o 系统虽然在一定程度上可以利用多径信号分量，但是对于 深频率选择性衰落依然无能为力。而单一的o f d m 技术虽然通过相邻的彼此正交 的子信道相互部分重叠的方法提高了频谱利用率，但是距离4 g 系统要求的极高频 谱利用率仍有一定差距。而如果将两种技术实现有机结合，就可以在o f d m 技术 较高频谱利用率的基础上进一步利用空间资源，从而可以将频谱利用率进一步提 用于m i m o 系统的高性能天线设计 高。 2 ) m i m o 技术的基本信息理论的研究 m i m o 技术本身也在不断发展，虽然已经取得一些研究成果，但还有许多问题 需要研究和解决。基本信息理论的研究就是其中之一。现在，虽然理论上已经证明 多入多出系统的信道容量随接收端和发射端的最小天线数目线性增长，但该结论的 前提是所利用的信道是准静态平坦衰落信道，而且各个信道之间互不相关，只针对 单个用户。目前，多天线用户在频率选择性衰落信道情况下的信息理论研究已经 引起学术界的高度重视，并已取得了一些研究成果。 3 ) 系统信道模型的研究 m i m o 系统信道模型的研究是另一个急需解决的关键问题之一。m i m o 信道不 同于以前的一维信道，它是由空间分量和时间分量组成的二维信道，因此它的信 道模型更加复杂。现在的m i m 0 信道模型都是准静态平坦衰落情况下的窄带信道。 但在实际应用中，尤其是在蜂窝系统环境下的信道模型除了要考虑路径损耗、阴 影效应、多h 勒扩展、时延扩展、r i e e a n k 等园子分布等因素外，还应考虑发射端 和接收端天线之间的相关性和信道传输矩阵韵奇异值分布等特性。而且，在蜂窝 系统中必须考虑时变的宽带信道情况。 4 ) m i m o 系统接收端的信号处理研究 m i m o 系统的接收端性能提高是以接收算法的复杂性为代价换取的。接收算 法除了要考虑多径衰落引起的码间干扰和系统噪声，还要考虑克服多个天线接收信 号之间的相互干扰。空域处理的主要任务是实现空域多天线之间的解相关，以实 现系统的空间正交信号处理，从而提高单位频段的频谱利用率。 5 ) 移动终端的m i m o 系统的研究 真正的m i m o 系统要发挥它的优势必须在发射端和接收端同时使用m i m o 技术。 但移动终端由于本身的几何尺寸和使用上的限制，使得m i m o 技术在移动终端目 前难以实现，因此，今后必须对在移动终端如何使用m i m o 技术进行深入研究。 1 3m i m 0 天线的研究现状和进展 天线是通信系统不可缺少的关键组成部分，其性能的好坏将直接影响整个通 信系统性能的好坏。m i m o 系统作为未来的移动通信系统，对天线的设计提出了前 所未有的要求，涉及天线结构、尺寸大小、体积重量、排列方式、带宽特性、方 向图特性、极化特性、多天线间的互耦和天线的比吸收率( s a r ) 等因素。目前， 对可用于m i m o 系统的天线的研究却并不多见。 文献【l 】为m i m o 实验系统设计了一种工作在2 4 g h z 频段的蛇形槽形微带天线 第一章绪论 单元，取得了不错的带宽特性，但其尺寸较大( 长和宽跟一只圆珠笔大小相当) ， 方向图只给了仿真结果，且不是全向的，并通过底板采用e b g 结构来改善后瓣， 整个结构复杂。文献【2 】中提出了通过引入分形结构来缩小天线尺寸和增加带宽，但 还没有什么成熟的结果，而且分形天线不易加工，精度难以保证。 常见的全向天线【2 2 2 5 】多是垂直极化的，水平极化的并不多。文献报道了一 种应用于w l a n 的z 型平面印刷天线，该天线结构紧凑，易于集成，且具有良好的 水平极化全向特性，但是文中并没有给出天线的尺寸和驻波特性。本文在此基础 上，设计出了该天线，大小为2 4 3 x 2 4 3 x 2 m m 3 ，且在2 4 g h z 频段内v s w r 2 ，也 具有良好的水平极化特性。同时，以该天线为阵列单元，设计了一个3 x 4 的水平阵， 经测量，获得了良好豹带宽、方向图和互耦特性。该天线可用于m i m o 系统。 采用共面波导馈电的天线 4 3 - 5 2 形式多样，这类天线一般都具有很宽的带宽， 但其大小和方向图都有所不同。文献1 1 8 j 介绍了一种应用于w l a n 且采用c p w 馈电 的t 型微带单极子天线( 垂直极化) ，该天结构简单，具有极宽的带宽，且具有准 全向的方向圈，就是天线尺寸偏大，不便用于m 跏o 系统。本文从减小天线的尺寸 出发，以满足2 4 g h z 频段的带宽和具有较好的全向方向图为目标，进行改造设计， 并通过附加寄生贴片，设计了一个天线，太小为2 2 ：6 2 2 6 x l m m 3 ，在2 4 g h z 频段 上获得了2 2 0 m h z 左右的带宽( v s w r 2 ) ，且具有较好的全向方向图。同时，以 该天线为阵列单元，设计了一个2 x 4 垂直阵，经粳i 量，获得了良好的带宽、方向图 和互耦特性。该天线可用作m n 以0 天线。 本文还设计了一些小型化双频天线，审b 作了实验模型，测量了它们的驻波系 数，测量数据与仿真藏线基本吻合。 1 4 仿真软件介绍 在设计过程中，为缩短设计周期，降低设计成本，可先使用仿真软件进行分 析和设计，再加工实物，然后进行实际调配，又根据仿真和实测的结果，进行理 论分析，重新进入下一轮设计，直到取得满意的结果，达到设计指标。在其中， 理论分析起着指导性的作用，仿真软件可以较快的给出结果，为实际的调试工作 提供了便利j 本文在设计中主要使用了a n s o f t 公司的h f s s 9 软件。它是国际上主流的 三维高频电磁场仿真软件，采用了自动匹配网格产生及加密、切线向向量有限元、 a l p s ( a d a p t i v el a n c z o sp a d es w e e p ) 和模式节点转换( m o d e n o d e ) 等先进技术， 可利用有限元法( f e m ) 对任意形状的三维无源结构进行电磁场仿真。其自适应网 格加密技术使f e m 方法得以实用化。初始网格( 将几何子分为四面体单元) 的 用于m i m o 系统的高性能天线设计 产生是以几何结构形状为基础的，利用初始网格可以快速解算并提供场解信息， 以区分出高场强或大梯度的场分布区域。然后只在需要的区域将网格加密细化， 其迭代法求解技术节省计算资源并获得最大精确度。必要时还可方便地使用人工 网格化来引导优化加速网格细化匹配的解决方案。采用高阶基函数、对称性和周 期边界等方法，从而节省计算时间和内存，进一步加大求解问题的规模并加速求 解的速度。h f s s 自动计算多个自适应的解决方案，直到满足指定的收敛要求值。 其基于m a x w e l l 方程的场求解方案能精确预测所有高频性能，如散射、模式 转换、材料和辐射引起的损耗等。在建模时，如果注意应用对称关系，合理设置 激励和辐射边界( 特别是一些特殊的面，孔的结构) ，根据需要合理设置扫描次数， 收敛条件，对细节部分进行手动划分网格，都会加快方针速度，提高方针精度， 得到更为准确的结果。 下面简要介绍h f s s 软件所采用的数值分析与计算方法即有限元法( f e m ) 的基本原理【2 吣1 】： 基于有限元方法计算怠磁问题，其基本构想是将由偏微分方程表征的连续函 数所在的封闭场域划分成有限个小区域，每个小区域用一个选定的近似函数来代 替，于是整个场域上的函数被离散化，由此获得一组近似的代数方程，并联立求 解以获得该场域中函数的近似数值。 1 ) 三维支配方程和变分公式 广义的来说，三维m a x w e l l 方程组是三维电磁场闯题的三维支配方程，但是， 一般情况下为了方便求解和建模，大多选取由m a x w e l l 方程组的前两个旋度方程 导出的电场强度满足的矢量亥姆赫兹方程作为支配方程。比如，a n s o f th f s s 软件 的支配方程为： r1 一、 一 v l 二v el 一七0 2 q e = 0 ( 1 - 1 ) l 式中，氏是自由空间波数，+ ，是复的相对导磁率，岔，是复韵相对介电常数( 考虑 了介质的损耗) 。 根据变分原理，上式的泛函可以写为： f ( 豆) = 胍怯( v 五) ( v 五) w 谚盂卜 特别要指出的是，这强是无源区的域内支配方程对应朗泛函 界条件和激励源。 ( 1 2 ) 还没有强加边 2 ) 三维离散单元 对于三维问题，矩形块、四面体和六面体等都可以被选用做基本的离散单元， 但是，不同离散单元对于有限元运算的精度、速度和内存需求都有不同。a n s o f t 第一章绪论9 h f s s 采用四面体作为基本离散单元，如图1 2 所示，并选用上一世纪8 0 年代以后 才被应用于电磁学中的棱边元作为矢量基函数。 四面体单元在模拟任意形状的几何体时，特别是不规则的几何物体时，比矩形块、 六面体等单元更加灵活和准确。虽然对于同样离散数，矩形块和六面体比四面体 的未知数要少，但是，有趣的是，对于几乎同样的未知量数目，采用四面体的有 限元数值解比采用矩形块和六面体的有限元数值解精度要高。应该说，四面体单 元特别是四面体棱边元在解决三维问题时是较好的选择 图1 2a n s o f l h f s s 软件中的线性四面体单元 3 ) 单兀插值 一旦将区域离散后，我们就需要近似表达每一个单元内的未知函数。为此， 让我们考虑圈2 2 所示的四面体单元。在此箪芜南，未知函数西e 能够近似为： 庐。( x ，y ，z ) = 口。+ 6 。x + c 。y + d 。z( 1 3 ) 则用四个顶点处的值矿( f - l ，2 ，3 ，4 ) 来表示： 妒。( t y ，2 ) = 霉( x , y ，= ) 群( 1 - 4 ) 式中插值函数( x ，y ，z ) 为： 置( 训，z ) = 击眩+ 鲜x + c ；y + d i z ) 0 - 5 ) 其中： 1111 ：三i 6 f k 必西虻 kz ；苟 = 单元体积 ( 1 。6 ) l o用于m 1 m o 系统的高性能天线设计 霉( x ，y ，z ) = 毛= ：；i ； 另外，当观察点位于四面体单元的第f 个结点的对面上时， 此，单元之间的连续性得到了保证。 ( 1 7 ) e ( x ，y ，z ) 为零。因 将第i 个结点上的妒值记为群，则a i 8 ，群，c ：，彬由下列等式可以获得： 矿2 品i ( 硝+ 硝+ 蝣+ ) 0 - 8 ) 1，、 b 8 = l _ ( 吖群+ b 2 b 2 + 骘蝣+ k 掰) ( 1 9 ) 1，、 c 。2 蔷i 【群+ 蠼+ c ；髫+ 筋) ( 1 - 1 0 ) 1，、 d 。2 若i ( 群群+ + 西菇+ 戎) ( 1 - 1 1 ) 这就是传统的有限元四面体单元的线性系统，可以看到类似于上一节中一维问题 的线段端点作为结点未知量，这里四面体的顶点作为结点。 4 ) 有限元方程组的建立和求解 在利用变分原理和离散化方法建立了有限元矩阵方程后，我们就面临着求解 以结点值为未知数的矩阵方程。我们将方程写为： ax=b(1-12) 式中系数矩阵a 是一个，l n ；h - 阵，x 是待求解的未知景，b 表示已知向量。 当式右端的已知激励向量b 不为零时，为确定性方程求解，也就是利用各种 等效方法的对矩阵a 求逆，其中最适用于有限元方法矩阵的是分解法，a n s o f t h f s s 就是采用的分解法【2 “。这其中，l u 分解是最基础的一种方法，很多的快速分解方 法都是在其基础上发展而来的，所以我们这里将介绍l u 分解方法。 如果矩阵可以分解为： a = l u 其中，l 是一个下三角矩阵，u 是个上三角矩阵。那么，先求解 l y = b ( 1 1 3 ) ( 1 1 4 ) 然后求解： u x = y( 2 - 3 4 ) 即可得n ( 2 3 0 式的解。因为l 是一个下三角矩阵，y 可通过前向替代过程而高效 地获得： m = 鲁 ( 1 1 5 ) 第一章绪论 = * 一酗j - in 洲 m 坳 然后，x 可通过后向替代过程而获得： 矗= 显 “。 ( 1 - 1 7 ) t = 去( m 一毫； m 嘞 这种分解算法其计算的复杂度正比于o t n 3 1 ( v 为矩阵的维数，也即未知数 的数目) ，也并没有利用有限元带状稀疏阵的性质。进一步利用带状稀疏阵的分解 算法能够有效地提高运算效率，降低计算复杂度。a n s o f th f s s 的快速算法计算复 杂度就在o f n 31 以下。 此外，为了减少计算时间，同时提高计算精度，有限元法采用自适应迭代算 法，如图1 | 3 所示。该算法一开始先选用较粗的剖分，采用我们上面所谈的方法求 解，然后看其精度是否满足要求。如不满足，进一步细化剖分，再次进行求解， 直到达到给定的精度。 图1 3a n s o f lh f s s 的自适应迭代算法 1 5 论文主要工作及内容安排 本文的主要工作是研究和设计了一个z 型天线、个t 型天线、一个水平阵、 一个垂直阵和一些双频天线，这些天线都进行t n 作和测量。z 型天线是一个水平 极化全向天线，通过在介质基板两侧分别印刷一个z 型和倒z 型贴片，来形成一 用于m i m o 系统的高性能天线设计 个电流环，以辐射水平极化波。t 型天线是一个垂直极化的微带单极子，采用共面 波导( c p w ) 馈电，文中详细研究了t 型天线臂的长度和宽度、共面波的导尺寸 以及介质基板的大小和厚度对带宽的影响，并给出一些曲线图。为了使t 型天线 进一步小型化，本文提出了在介质基板的背面平行于t 型垂直臂印刷一个矩形寄 生贴片的方法，可以增加带宽，且基本不改变原有方向图的特性。以一款1 4 ”笔记 本电脑的大小为例，采用z 型天线和t 型天线作为阵列单元，分别设计了一个3 4 的水平阵和2 4 垂直阵。考虑到双频应用，文中设计了九个可工作在2 4 g h z 频段 和5 2 g h z 频段( 5 1 5 5 3 5 g h z ) 的微带单极子天线。 本文的内容安排如下： 第一章绪论，介绍了选题的背景和研究的价值及意义；简要阐述了m i m o 系 统和m i m o 技术及其发展方向；对文中所使用的仿真软件i - i f s s 也作了大致介绍。 同时，指出了本文的主要工作。 第二章水平极化z 型天线的研究，对z 型天线进行了分析、设计、仿真和制 作，并给出了带宽和方向图的测量结果。 第三章垂直极化t 型天线的研究，对t 型天线进行了分析、设计、仿真和制 作以及小型化的研究，并给出了带宽和方向图的测量结果。 第四章水平极化和垂直极化天线阵的设计，采用z 型天线和t 型天线作为阵 列单元，分别设计了一个3 x 4 的水平阵和2 4 垂直阵，并分别测量了各单元的驻 波、方向图以及互耦。 结束语对全文的工作加以总结，并提出了文中尚拳解决、需要改进和进一步 研究的问题。 第二章水平极化z 型天线的研究 第二章水平极化z 型灵线的研究 移动通信的迅速发展对天线提出了越来越高的要求。m i m o 系统作为未来的 移动通讯系统，不仅要求天线宽带小型化，而且具有全向或准全向的方向图，同 时也要求天线重量轻、剖面薄，其极化多采用双极化形式以用于极化分集。 本章设计了一个平面印刷水平极化z 型天线，通过在介质基板两侧分别印刷 一个z 型和倒z 型贴片，来形成一个电流环，以辐射水平极化波，该天线可工作 在2 4 g h z 频段，体积小且具有良好的全向特性。 2 1z 型天线的分析与设计 在城市或者室内无线环境中，虽然基站发射的都是特定的极化信号，比如常 见