（电磁场与微波技术专业论文）移动终端多天线研究.pdf

摘要 随着无线通讯事业以及移动通信业务规模和种类的飞速发展，需要传输的数 据量在不断的增加，人们对高速数据传输的需求更加迫切，高容量、高速率、高 稳定性的移动多媒体传输成为了一个令人神往的目标，也是一个急迫解决的难题。 对于此，传统的单天线收发通信系统似乎显得有些力不从心，幸而多天线移动通 信技术的应用为解决该问题提供了全新的途径和契机。通过理论和实验的论证， 多天线移动通信技术能在不增加带宽和额外功率的情况下成倍地提高移动通信系 统的容量和通信质量，被认为是新一代无线通信技术的革命，在学术界和工业界 引起了高度的重视。 当然，有机遇就有挑战，多天线设计是多天线移动通信的关键技术之一，尤 其在移动终端，要求在有限的空间内多天线之间的信号要具有低的相关性，而本 文便围绕移动终端多天线设计这一主题展开了系统的研究。本文在介绍了多天线 移动通信技术和移动终端多天线基本理论的基础上，详细阐述了移动终端多天线 的设计方法，提出了适用于手机的三种不同形式的内置天线，并以此为素材对多 天线隔离度与天线效率进行了系统的分析与讨论，总结了一种分析多天线系统中 天线效率的新方法，并编写了相关程序，最后设计了一种新颖的隔离装置，成为 改善天线间隔离度的新措施。 首先，本文简要介绍了研究的相关背景，从回顾移动通信的发展历程，引出 了多天线移动通信技术并作以简述，之后介绍了国内外多天线移动通信技术的研 究现状。 其次，介绍了移动终端多天线的设计要求，阐述了决定多天线布局的天线分 集技术，给出了分集性能的衡量标准，在此基础上，提出了移动终端多天线设计 思想与实现途径，并对移动终端多天线的分析数值方法进行简单的介绍。 然后以手机作为移动终端设备的代表，根据其研究热点和发展趋势，对三种 手机内置天线，包括倒f 天线、平面倒f 天线和环天线作了分析和说明，并对每 种形式分别设计一款手机天线，为接下来的低频多天线研究作铺垫。 最后利用文中设计的三种不同形式的手机天线组成双天线分集系统，从地板 长度、共地耦合、空间耦合、不同形式天线的相互搭配等角度对实际模型进行仿 真和分析，本质上认识和总结了手机低频分集天线系统中存在的关于隔离度和天 线效率的问题。为方便多天线设计，文章针对多天线系统中的阻抗匹配是如何影 响天线效率进行了研究和探讨，总结了一种分析双天线分集系统中主天线效率的 i i 移动终端多天线研究 方法。该方法通过将实际模型转换为等效电路进行分析，利用负载牵引法，并通 过仿真结合编程的手段得到主天线等效率区域图，最终为双天线系统的设计提供 最佳方案。最后，本文提出了一种新颖的隔离装置，该隔离装置单元结构简单小 巧，面积仅为0 0 0 0 2 ) , 0 2 ，高度仅为0 0 0 3 ) , 0 ，有效改善了移动终端天线间的隔离度。 关键字：移动终端多天线天线分集隔离度天线效率 a b s t r a c t l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sa n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h er e q u i r e d a m o u n to fd a t ai si n c r e a s i n ga n dt h ed e m a n d so fu s e r sf o rl l i g l l - s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n b e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r t h eh i g hc a p a c i t ya n dh i g hd a t ar a t ea n dh i g hs t a b i l i t yi n m o b i l em u l t i m e d i at r a n s m i s s i o nb e c o m en o to n l yt h eg o a lb u ta l s ou r g e n tp r o b l e m st o s o l v e a c c o r d i n gt ot h i s ，t r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m su s i n gs i n g l e a n t e n n a t r a n s m i ta n dr e c e i v es i g n a l sa r ec o n f r o n t e dw i t has t i f fc h a l l e n g e f o r t u n a t e l y ，an o v e l c r e a t i v et e c h n o l o g y ，n a m e l ym u l t i a n t e n n am o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，h a s p r o v i d e da ni n n o v a t i v es o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m t h r o u g ht h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l d e n l o n s t r a t i o n m u l t i a n t e n n am o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc a nm u l t i p l y t h e c a p a c i t ya n dq u a l i t yw i t h i nt h es a m ef r e q u e n c yb a n d a tn oa d d i t i o n a lp o w e re x p e n d i t u r e m u l t i a n t e n n am o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e dt ob ean e wg e n e r a t i o n o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yr e v o l u t i o na n dc a u s e sah i g hd e g r e eo fa t t e n t i o n i na c a d e m i aa n di n d u s t r y m u l t i a n t e n n am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mg e n e r a l l y u s e sm o r et h a nt w o a n t e n n a s ，s om u l t i a n t e n n ad e s i g n ，e s p e c i a l l yf o r t h ec o m p a c th a n d h e l dt e r m i n a l s ， b e c o m e sa ni m p o r t a n ty e tk n o t t yi s s u e b a s e do nt h i s ，t h i st h e s i sf o c u s e so nt h em o b i l e t e r m i n a lm u l t i a n t e n n ad e s i g n w i t h t h eo v e r v i e wo fm u l t i - a n t e n n am o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ep r i n c i p l eo ft h em u l t i - a n t e n n au s e d i nm o b i l e t e r m i n a l s ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o do fm u l t i p l ya n t e n n a sa n dd e s i g n s t h r e ef o r m so fh a n d s e ta n t e n n a m o r e o v e r , t h ep r o p o s e da n t e n n a sa r eu s e da sm a t e r i a l f o r a n a l y s i sa n d d i s c u s s i o na b o u tm u l t i - a n t e n n ac o n f i g u r a t i o n i s o l a t i o na n d a n t e n n ae f f i c i e n c y f i n a l l y , an e wm e t h o do fa n t e n n ae f f i c i e n c ya n a l y s i s i n m u l t i a n t e n n as y s t e m si sp r o p o s e da n dan o v e li s o l a t i o nd e v i c ei sd e s i g n e d f i r s t t h er e s e a r c hb a c k g r o u n di sr e v i e w e d a c c o r d i n g t o r e v i e w i n g t h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h e m u l t i - a n t e n n am o b i l e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d t h e nt h ec u r r e n ts t a t u so ft h i st e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d s e c o n d ，t h ed e s i g nr e q u i r e m e n to fm o b i l et e r m i n a lm u l t i p l ea n t e n n a s i si n t r o d u c e d t h e nt h et h e s i sd e s c r i b e sv a r i o u sd i v e r s i t ys c h e m e sa n dt h ec r i t e r i af o rt h ed i v e r s i t y b a s e do nt h ep r e v i o u sd e s c r i p t i o n , t h ep r i n c i p l eo fm o b i l et e r m i n a la n t e n n ad e s i g ni s p r e s e n t e d t h e nt h es e v e r a lc o m m o n l yu s e dm e t h o d si nc o m p u t a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c l v 移动终端多天线研究 a r ep r e s e n t e d w h i c hc a ne s t a b l i s ht h et h e o r e t i cb a s i sf o r t h ea n t e n n ad e s i g n t h i r d t a k i n gh a n d s e t 懿r e p r e s e n t a t i v eo fm o b i l et e r m i n a le q u i p m e n t ，t h r e ef o r m s o fh a n d s e ta n t e n n aa r ca n a l y z e da n dd e s c r i b e da c c o r d i n gt ot h e r e s e a r c hf o c u sa n d t r e n d s i n c l u d i n gt h ei n v e r t e d fa n t e n n a , p l a n a ri n v e r t e d - fa n t e n n aa n dl o o pa n t e n n a f u r t h e r m o r e ，t h r e ed i f f e r e n ta n t e n n a s ( o n ef o re a c hf o r m ) a r ed e s i g n e di no r d e rt op a v e t h ew a yf o rt h ei n v e s t i g a t i o no fl o wf r e q u e n c ym u l t i p l ea n t e n n a s f i n a l l y , d u a l a n t e n n ad i v e r s i t yc o n f i g u r a t i o n sw h i c h a r ec o m p o s e do ft h ep r o p o s e d t h r e ed i f f e r e n ta n t e n n a sa r ed e s i g n e d i no r d e rt oe s s e n t i a l l yr e a l i z et h ep r o b l e ma b o u t i s o l a t i o na n da n t e n n ae f f i c i e n c yt h a te x i s t si nl o w - f r e q u e n c yh a n d s e td i v e r s i t ys y s t e m ， t h ep r o p o s e dd u a l a n t e n n ad i v e r s i t ym o d e l sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e df r o mt h ev i e w s o ft h el e n g t ho ft h eg r o u n d ，s p a c e c o u p l i n g ，t h ef o r m so fa n t e n n a s ，e t c t h e nt h ei m p a c t o fi m p e d a n c em a t c h i n go na n t e n n ap e r f o r m a n c e i nad u a l - a n t e n n ah a n d s e ti s i n v e s t i g a t e d t h em a i na n t e n n ae f f i c i e n c yd e p e n d sl a r g e l yo nt h em a t c h i n g s t a t eo ft h e v i c ea n t e n n a t h ep r o p o s e d d u a l - a n t e n n a c o n f i g u r a t i o n i s r e g a r d e d 弱a t w o p o r t n e t w o r ke q u i v a l e n tc i r c u i t a n dt h el o a d - p u l lm e t h o di se m p l o y e dt oa n a l y z e t h em a i na n t e n n ae f f i c i e n c y n o v e lc o n c e p t i o no fe q u a l e f f i c i e n c ya r e ai n t h es m i t h c h a r ti sc o n c e p t u a l i z e db a s e d0 1 1t h ea n a l y s i sm e t h o d t h ea n a l y s i sm e t h o da n dt h e c o n c e p t i o no fe q u a l e f f i c i e n c ya r e ac a l lp r o v i d e s i g n i f i c a n tp o t e n t i a lc o n t r i b u t i o n o nt h e d e s i 窖皿o fm u l t i a n t e n n a h a n d s e t s a tl a s t ，an o v e li s o l a t o ri sp r e s e n t e d t h e m e l 知m a t e r i a lb a s e di s o l a t o rs e r v e sa sa ne l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d ，t h u se n a b l i n gi tt ob e b u i l ti l las u b w a v e l e n g t hs i z eo f0 0 0 0 2 ) , 0 2 x o 0 0 3 ) , o ，w h i c hc a l le f f e c t i v e l ys o l v et h e i s o l a t i o np r o b l e m k e y w o r d s ：m o b i l et e r m i n a t i o n m u l t i - a n t e n n a a n t e n n ad i v e r s i t y i s o l a t i o n a n t e n n ae f f i c i e n c y 第一章引言 第一章引言 随着i t 科技以及无线通信的迅猛发展，和人们生活水平的大幅提高，手机、 笔记本电脑、平板电脑个人掌上电脑等各种电子产品越发普及，成为人们生活中 不可或缺的一部分。随着时代的进步和人们日常生活的需求，仅仅是语音业务已 经不能满足人民的要求，手机不再是只能打电话发短信的工具，笔记本电脑也不 再仅仅是办公的帮手，而提供网页浏览，多媒体数据的传输，以及其他形式的数 据业务已经成为人们利用无线移动通信网络的主要目的，进而各种个人移动设备 的天线设计也成为了必须。另一方面，面对着无线局域网和移动通信的急速发展， 需要传输的数据量也在不断的增加，人们对高速数据的传输更加的迫切。如何在 有限的频谱内满足大量的用户数以及更高的传输率从而保证良好的通信质量，是 当今通信领域内的研究的重要热点课题之一。由m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出的多入多 出i i i 引，即m i m o ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ) 技术在9 0 年代后期被应用到移动 通信系统中，并通过理论分析以及实验验证论证了该技术能在不增加带宽的情况 下成倍地提高移动通信系统的容量和通信质量，引起了业界各国学者的极大关注， 这使得多天线移动通信技术在近几年内得到了飞速的发展，是新一代移动通信系 统的关键技术之一。 为了能够理性而深刻的了解多天线移动通信技术，本章将对多天线移动通信 技术进行概述，然后系统地介绍国内外的研究现状，最后给出本文的主要工作和 内容安排。 1 1 多天线移动通信技术概述 移动通信p j 是一种被广泛应用的通信技术，它可以不受时间、空间、环境的限 制使人们进行相互通信。虽然移动通信自上世纪二十年代中期就已经出现，但到 了七十年代美国贝尔实验室提出了小区制蜂窝系统的概念才得以长足进步和迅猛 发展。随着三十多年的发展，已经成为多种制式、多种网络、用户众多、覆盖范 围广泛的通信系统。纵观移动通信的发展历史，第一代系统已成为过去，第二代 系统如日中天，第三代系统方兴未艾，第四代系统已初露端倪。 第一代移动通信系统吲( 1 g ) 是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝电话标准，制定 于上世纪8 0 年代，主要采用的是模拟调频技术和频分多址( f d m a ) 技术，制式有 很多种，典型的代表比如美国的a m p s ，日本的h c n t s 、欧洲的e t a c s 等。第 一代移动通信系统存在着很多的不足，比如：频谱利用率低，不能适应大容量的 移动终端多天线研究 需求；制式太多；各系统间没有公共接口，互不兼容；保密性差，易被窃听；通 话质量不高，不能提供数据业务；受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长 途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统等。随着用户数量和蜂窝网络容量的 不断增加，虽然可以通过增加基站数量和减小基站覆盖面积而解决，但是，在现 代日益密集的城市再设基站往往已变得非常困难和价格昂贵。因此为了克服第一 代通信系统的局限性，8 0 年代中期第二代移动通信系统的研究工作被推出台面。 第二代移动通信系统( 2 g ) i i 口目前广泛应用的g s m 、p d c 、i s 9 5 、d c s l 8 0 0 等 以数字传输、时分多址( t d m a ) 窄带码分多址( c d m a ) 为主体的移动通信系统，发 展于上世纪九十年代。与第一代模拟蜂窝移动通信相比，第二代移动通信系统采用 了数字化技术，增加了设备集成度，降低了系统整体尺寸；采用信源信道的编码技 术，具有保密性强和抗干扰能力；频谱利用率高，能提供丰富的业务；采用低功 耗系统，增加了待机时间；高效的数字调制技术，提高了系统的有效容量等特点， 使得移动通信得到了空前的发展，从过去的补充地位跃居通信的主导地位。然而随 着不断的发展，高速增长的用户数量以及有限的容量和业务之间的矛盾也已暴露 了第二代移动通信系统的不足之处：频带太窄，不能提供如高速数据、慢速图像 与电视图像等的各种宽带信息业务；无线频率资源紧张，抗干扰抗衰落能力不足， 系统容量不能满足要求；频率利用率低，切换容易掉话；不同系统间彼此不能兼 容，使用的频率也不- 样，全球漫游比较困难等。这样，第三代移动通信系统的 发展就尤为迫切。 第三代移动通信系统1 4 1 ( 3 g ) 的理论研究、技术开发和标准制定工作起始于八十 年代中期，国际电信联盟( i t u ) 将该系统正式命名为国际移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) 。 欧洲电信标准协会( e t s i ) 称其为通用移动通信系统( u m t s ) 。此系统工作在 2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 m b p s 。全球主流的3 g 移动通信技术有三个， 分别是日本提出的w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 以及我国具有自主知识产权 的t d s c d m a 。3 g 与2 g 、i g 的主要区别具有以下几个方面的特点： 1 具有全球无缝覆盖和漫游能力 2 高服务质量，提供窄带和宽带多媒体业务 3 与固定网络各种业务的相互兼容 4 无缝业务传递 5 支持系统平滑升级和现有系统的演进 6 适应多种运行环境 7 支持多媒体功能及广泛的业务终端 紧接着3 g 之后的第四代移动通信技术p j ( 4 g ) ，其技术发展已成为继3 g 、3 5 g 通讯技术之后各厂商的研究重点。尽管目前4 g 移动通信技术尚未成形，然其雏形 已大致具备。今日，3 g 通讯的技术标准与规范已进入商业用途。然而到目前为主， 第一章引言 3 在应用上也发现3 g 通信的许多缺点，例如缺乏全球统的标准。3 g 所采用的语 音交换架构仍承袭了2 g 的“电路交换模式 ( c i r c u i ts w i t c hm o d e ) ，而非采用纯 i p 方式，也因此容易受到多用户的干扰，导致传输速率无法大幅提高。面对这些 应用上的缺点，理想中的4 g 通讯技术应该具备以下的特色： 1 更大传输频宽。对大范围高速移动的使用者( 最高2 5 0 k r n h ) 频宽需求为 2 m b p s ，中速移动的使用者( 6 0 k m h ) 频宽需求为2 0 m b p s ，低速移动或室内静止的 使用者频宽需求为1 0 0 m b p s 。 2 更高储存容量。由于传输频宽增大，因此资料储存容量至少需求为3 g 系 统的1 0 倍以上。 3 更高相容性。4 g 通信技术必须具备向下相容、开放介面、全球漫游、与网 路互联、多元终端应用等，并能从3 g 通信技术平稳过渡至4 g 。 4 不同系统的无缝连接。行动使用者在移动中，特别是高速移动，也都能顺 利使用通信系统，并在不同系统间进行无缝转换( s e a m l e s st r a n s i t i o n s ) ，传送高速 多媒体资料等。 5 高度智慧化网路系统。4 g 网路必须是高度智慧、能随状况自行调整的网路 系统，它须具备良好的弹性以满足不同环境与不同用户的通信需求。 6 整合性的便利服务。4 g 系统将个人通信、资讯传输、广播服务与多媒体娱 乐等各项应用整合，提供更为广泛、便利、安全与个性化的服务。 综上所述，4 g 移动通信其技术的根本目的，主要是能够在各终端产品间发送、 接收来自另一端的信号，并在多个不同的网路系统、平台与无线通讯介面之间找 到最快速与最有效率的通信路径，以进行最即时的传输、接收与定位等动作。 传统的单天线系统是采用单根发射天线和单根接收天线的通信系统，被称作 但输入单输出系统，即所谓的s i s o ( s i m p l e i n p u ts i m p l e - o u t p u t ) 系统。s i s o 系统 在信道容量上具有一个无法突破的瓶颈s h 锄o n 容量限制1 6 j 。 c = l o g ，( 1 + p l h l ) b s h z ( 1 一1 ) 上式中c 是s h a n n o n 容量，p 是接收天线的信噪比，h 是归一化信道复增益， 可见，信道容量没有利用空间维度。不论是采用任何编码或是各种调制技术等方 法，移动通信信道总是给工程做了这个实际的物理限制。为了满足用户对更高的 数据率的需求，提高单天线系统的容量便显得尤为迫切。可以实现这一目标的方 法有很多，如设置更多基站、拓宽带宽和加大发射功率等。设置更多基站意味着 采用更多蜂窝，而在密集的城市中，要增设基站已经变得非常困难而且价格昂贵。 拓宽带宽，就会导致与现行系统存在巨大的兼容问题，而且价格也十分的昂贵。 而提高发射功率，由于功放在大功率区域下的线性工作特性很难设计，所以对硬 件的设计非常困难，而且大功率难免也会影响人的健康，散热以及功率的加大所 4 移动终端多天线研究 引起的功率消耗也是需要考虑的问题。为了达到目的并且克服上面所存在的问题， 人们提出了天下分集技术，即在无线链路的一端采用多天线捕获与合并信号的处 理技术。多年来，主要是通过在接收端采用多天线进行接收分集，其发射仍采用 一个天线，这就是s i m o 系统；相反，在发射端采用多天线而接收采用单一天线， 便是m i s o 系统。 对于一个lx n 的s i m o 系统，接收端包含n 副天线，其信道平均容量为【7 】1 8 】 ， c = l 0 9 2 ( 1 + p 卅) b i t s h z ( 1 2 ) 式中h i 是发射天线到第i 副接收天线的子信道复增益。对于m x l 的m i s o 系 统，其信道平均容量为【7 】【8 j 矧0 9 2 ( 1 + 暑新2 ) b i t 他 ( 1 3 ) 式中h i 是第i 副发射天线到接收天线的子信道复增益。式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 表明， 信道容量随着发射天线或是接收天线的数目增长呈对数提高，分集系统利用空间 维度增大了信道容量。 s i m o 和m i s o 技术的进一步发展就自然地产生了收发同时采用多天线的系统 m i m o 系统。在1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出多天线高斯信道容量1 7 j ，1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出b l a s t 算法【9 1 ，1 9 9 8 年t a r o k h 等提出空时编码1 8 j ，这些工作从理论和实验上 均给出了令人振奋的结果，多天线移动通信技术的研究也如雨后春笋般地涌现。 为了将3 g 移动通信时代走得更远，迎接即将到来的4 g 移动通信时代，多天 线技术的应用可以说是一个必然的结果。多天线技术结合先进的信号处理技术， 在不增加额外带宽的和功率的基础上，大幅提高移动通信的容量、质量以及传输 速率，成为新一代移动通信系统的关键技术之一。目前国内外很多科研院校与商 业机构都争相对多天线移动通信技术进行研究，这使得多天线移动通信技术正以 前所未有的速度发展着。 1 2 国内外多天线移动通信技术的研究现状 虽然多天线移动通信技术源于天线分集【1 仉1 3 】与智能天线技术【1 4 m 1 ，但是由于 多天线移动通信系统在无需增加额外频谱和发射功率的情况下就可带来令人惊叹 的容量与可靠性提升，它引发了大量理论研究与场外实验。自从1 9 9 5 年t e l a t a r 推导出多天线高斯信道容量、1 9 9 6 年f o s c h i n i 提出b l a s t 算法与1 9 9 8 年t a r o k h 等提出空时编码以来，多天线移动通信技术的研究如雨后春笋般涌现【ls 】【2 l 】。至今， i e e e 数据库收录该领域的论文已达数万篇之多，它们包含了多天线移动通信技术 从理论研究到实验验证以及商用化等的各个方面。目前国际上很多科研院校和商 第一章引言 5 业机构都争相对多天线移动通信技术进行研究，多天线移动通信技术正在以前所 未有的速度向前发展。这里对国内外研究多天线移动通信技术方面具有代表性的 机构与个人稍作列举，以洞悉多天线移动通信技术的研究现状与发展动态1 2 2 。 欧盟i s tm e t r a ( i n f o r m a t i o ns o c i e t yt e c h n o l o g i e sp r o g r a m m e ，m u l t i e l e m e n t t r a n s m i ta n dr e c e i v ea n t e n n a s ) 项目资助评估在3 g 移动终端引入多元自适应天线 结合自适应基站天线阵列的性能及其可行性分析。研究员j p k e r m o a l 、 l s c h u m a c h e r 、p e m o g e n s e n 、k i p e d e r s e n 、b f l e u r y 、j b a n d e r s e n 和g f p e d e r s e n 等在丹麦奥尔堡大学( a a l b o r gu n i v e r s i t y ) 进行了大量研究与场外测试，给出了很多 结果和结论，促进了多天线移动通信技术的发展1 2 ) j 1 2 引。 圣迭哥加州大学电子与计算机工程系t s v a n t e s s o n 博士从事多天线移动通信 系统与无线传播的研究，提出了一种多天线信道模型和一种多模天线1 2 引。 加拿大渥太华大学( u n i v e r s i t yo fo t t a w a ) s e r g e yl o y k a 博士，从事移动通信、 智能天线、传播信道建模与m i m o 系统的研究，发表了大量研究结果1 2 州。 挪威奥斯陆大学( o s l o ) d g e s b e r t 教授研究组自2 0 0 0 年来一直从事多天线移动 通信技术研究，包括m i m o 信道建模与时空编码等1 2 ，提出的室外散射信道模型 被广泛采纳。 瑞典的乌普萨拉大学( u p p s a l a ) 信号与系统研究室研究员a a h l e n 、e l i n d s k o g 、 m s t e m a d 、c t i d e s t a v 与m w e n n s t r o m 等从事多天线接收机与多天线移动通信系 统研究，并提出了一种可用于多天线通信系统的开关寄生天线方案【z 引。 希腊佩特雷大学( u n i v e r s i t yo fp a t r a s ) 电子与计算机工程系电磁学实验室 m k a r a b o i k i s 与c s o r a s 等，从事印制天线设计与仿真以及天线分集技术等研究， 提供了多种印制多天线方案1 2 0 1 。 在国内，清华大学、西安电子科技大学、北京邮电大学、东南大学等高校， 中兴通讯、华为公司等企业与科研所等研究机构也在积极进行多天线移动通信技 术的研究与现场测试，提出了多种编码算法与信道模型，并研制了多种可用于多 天线移动通信系统的天线，进行了信道相关性、天线互耦与通道互耦等研究。当 然，国内外还有许多研究机构与个人正在从事多天线移动通信技术的研究与开发， 这里不在一一赘述。 值得一提的是，为了改变我国通信产业长期处于被动发展这一局面，国家己 于2 0 0 2 年制定并启动了未来移动和无线通信发展的f u t u r e ( f u t u r et e c h n o l o g i e s f o ru n i v e r s a lr a d i oe n v i r o n m e n t ) 计划，旨在后三代移动通信发展初期便开展相关的 研究，与国际上同步发展，获取具有自主知识产权的核心技术专利，为我国未来 提出后三代或即将到来的第四代移动通信标准奠定基础。我国“十五期间高技 术研究发展计划( “8 6 3 ”计划) 中的“新型天线与分集技术 项目重点研究多天 线通信技术，设计适用于终端和基站的多天线，结合空时编解码和收发联合信号 6移动终端多天线研究 处理研究提高系统容量和降低误码率的方法，探索关键技术的实现，并完成相应 的技术示范。本文以上述技术背景为契机，围绕新一代移动通信中终端多天线这 一主题，讨论了多天线设计中的诸如隔离、效率等实际问题，为移动终端多天线 设计提供了有力理论参考和全新的设计思路。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文共分四个部分进行论述： 第一章引言主要介绍研究的相关背景，首先对多天线移动通信技术进行了概 述，从移动通信发展的趋势引出了多天线技术的应用，并了解了国内外多天线移 动通信技术的研究现状。 第二章移动终端多天线基本理论，首先介绍了移动终端多天线的设计要求。 其次讨论了多天线系统所应用到的天线分集技术。然后基于上述的介绍和分析， 给出了适用于移动终端多天线的设计思想和实现途径。最后又介绍了用于天线分 析的数值方法，时域有限差分法，有限元法和矩量法，为以下章节方案的分析和 设计做了技术铺垫。 第三章移动终端单天线设计，以移动终端的代表性设备手机为研究背景， 首先对目前应用最广泛的三种手机天线类型，倒f 天线，平面倒f 天线和环天线 的特点以及设计规则作了理论性的阐述。其次根据以上的理论分析，针对三种天 线形式各设计一款具体的天线结构，并进行仿真，方便接下来的多天线研究。 第四章移动终端多天线设计及其关键问题研究，利用第三章设计的三款不同 形式的天线组成双天线分集系统，首先通过研究地板长度、共地耦合、空间耦合、 不同形式天线的相互搭配等对双天线隔离度与天线效率进行了系统的分析与讨 论，从现象到本质地认识了手机低频分集天线系统中存在的问题并得出了相关结 论。其次介绍了一种分析天线效率的新方法，通过将实际模型等效为电路模型进 行分析，结合仿真及编程手段，得到天线等效率区域图，这为以后的手机多天线 设计提供了不少的便利。最后设计了一种新型的隔离结构，以小巧且结构简单为 特点，有效的降低了手机低频天线间的耦合，是一种改善天线隔离的新措施。 第二章移动终端多天线设计思想 7 第二章移动终端多天线设计思想 移动通信系统是无线与有线的综合体，即在移动网络覆盖范围内，其通过空 中接口( 无线) 将移动台与基站联系起来，并进而与移动交换机相联系( 有线) 的综合体。天线位于收、发信机之间，并在这两者间利用电磁波传播空间实现有 效的能量空间分布和传递，是系统中不可或缺的一部分。为了控制电磁能的空间 分布，进而提高资源利用率，优化网络质量，天线有必要进行精心的设计以便有 着良好的辐射特性。 随着数据业务的快速发展，移动通信系统对天线也提出了越来越高的要求， 作为多媒体通信系统的多天线移动通信系统，更是对天线的要求提高到了一个前 所未有的高度。对于移动终端来说，其所能提供给天线的分布空间是极其有限的， 对于单天线来说，物理环境已是相当苛刻，更不用说在如此有限的体积内进行多 天线的设计和布局，其困难程度也是显而易见。因此，在移动终端多天线的设计 过程中，应当对天线的体积、效率和多天线信号间的相关性等各方面因素进行综 合考虑。 本章首先介绍移动终端多天线的设计要求，然后系统研究天线分集技术，并 在此基础上简要的介绍了满足系统性能需求的移动终端多天线设计思想和技术途 径，最后简述了移动终端多天线分析的数值方法。 2 1 移动终端多天线设计要求 天线性能的好坏不仅能够影响信道的性能，而且对收发硬件设备也有不小的 影响。因此对移动终端多天线的设计要求的深入理解是十分必要的。根据多天线 技术的特点和要求，移动终端多天线基本的设计要求可归纳如下： 1 采用天线分集技术，充分利用空间维度信息以获取分集增益，主要包括空 间分集、角度分集和极化分集。 2 展宽单元天线的波瓣，尽最大程度接收方位向的散射达波或激发更为丰富 的传播途径，有效利用空间资源。 3 确保单元天线有足够的增益，改善系统的信噪比和抗干扰性能。 4 提高多天线间的隔离以保持达波信号的相对独立性和降低天线自身引入的 相关性。 5 减小天线的后向辐射，包括天线的s a r 值和人体与天线间的相互影响。 6 天线应采用合理的结构，诸如低轮廓、小体积、轻质量、尽可能利于加工 8 移动终端多天线研究 的复杂度等满足移动终端内部有限空间以及作为商业化产品的低成本的条件和目 的。 综上所述，移动终端多天线的设计要求可概括为：多分集、宽波瓣、足够的 增益、低相关性、低s a r 、合理的结构。根据这些要求，反应在天线实际设计中 便是天线的形式、方向图、极化特性、匹配状态、天线的布局以及互耦等综合因 素。 2 2 天线分集技术 天线分集的基本原理是通过多个信道接收到承载相同信息的多个副本，由于 多个信道的传输特性不同，信号衰落就不会相同。接收机使用多个副本包含的信 息能比较正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下， 发射机必须以功率发送，才能保证信道情况较差时链路的正常连接。在移动通信 环境中，由于移动终端如手机、笔记本电脑等的电池容量非常有限，所以反向链 路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率而获取分集 增益，这在移动通信中非常重要。 决定分集性能最重要的因素是分集支路之间的相关性i l o j ，为了获得良好的分 集性能，要求该相关性系数低于0 7 1 2 8 l 。天线分集主要包括三种类型，即空间分集、 角度分集和极化分集( 2 9 1 ，它们分属于天线分集中的空间、角度与极化维，实际中 独立应用各维难以达到设计目的，而是多维联合应用，或某一维占优。 2 2 1 空间分集 空间分集是分集技术中最常用的分集形式。我们知道在移动通信中，空间条 件略有变动就可能造成较大的场强变化。当使用两个接收信道时，它们受到的衰 落影响是不相关的，且二者在同一时刻受深衰落谷点影响的可能性也很小，因此 这一设想引出了利用两副互相间隔一定距离的同极化接收天线单元的方案，独立 地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小，这就是空间分集。 对于天线单元的间距，空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收信号的相 关性就越小。经过测试和统计，为了获得满意的分集效果，天线单元间距应大于 o 6 九，即d 0 6 九，并且最好选择在入4 的奇数倍附近。若减小天线间距，即使到x 4 ， 也能起到不错的分集效果。 空间分集技术经常用于城市蜂窝系统的上行信道( 移动台到基站) 中，因为 它可以通过选择最好的接收信号或其合成信号以减少衰落的影响。随着环境密度 的增加，它可以通过改善基站接收增益( 3 - - 5 d b ) ，使链路预算达到平衡。而在手持 设备中，空间分集技术的应用比例也在不断增加，这也是本文分析的重点。 第二章移动终端多天线设计思想 9 2 2 2 角度分集 角度分集又称方向图分集1 3 0 】，由于地形地貌等传播环境复杂性的影响，到达 同一地点的从同方向不同角度的多径信号的相关性很低；而与之相应的从同一地 点发出的不同角度的信号相关性也很低。因此在发射或接收时采用不同方向性束 波的天线，那么他们发射或接收的多径信号是低相关的，可以获得分集增益。如可 在基站端采用开关波束智能天线p l j 和多模天线实现角度分集，这些不同的天线方 向图以加权方式将多径信道重新合并，从而每个天线产生一个不同的信道。 与空间分集比较，角度分集的优点在于无需空间分集对安装空间的大需求。 但是，他的分集性能很大程度上取决于来波到达角的角谱扩展大小，若达波角谱 扩展较小而造