（电磁场与微波技术专业论文）蜂窝移动通信双频基站天线设计.pdf

摘要 摘要 无线通信技术的迅猛发展给天线提出了越来越高的要求，小型化、宽带多 频段天线已成为当前国内外天线领域的重要研究课题之一。本文着重研究用于现 代蜂窝移动通信系统的以小型化、宽带双频段等为主要特征的基站天线及其设 计方法。论文的主要工作包括以下几个方面： 1 基于印刷振子结构简单、轻便的思想，设计并制作了三种不同结构形状的 蜂窝移动通信基站天线单元，通过将对称振子变形以减小天线单元排阵时的间距， 进而减小单元之间的互耦。测试结果表明，该天线在驻波小于2 时完全覆盖了我国 现行使用的c d m a g s m d c s p c s 频段，且由于反射板的加入使得天线水平面方向 图3 d b 波瓣宽度达到1 2 0 0 。 2 选取上述三种天线中较好的一个作为天线单元，排列了一个1 6 元的直线阵 列，利用等幅不同相馈电以达到天线垂直面方向图赋形的目的，借助仿真软件 i - i f s s i o 0 进行了设计，使阵列天线在单元间距为o 5 九时达到了设计要求，此天线 适用于水平面波瓣宽度覆盖1 2 0 。的9 0 0 m h z 和i 8 g h z 频段的无线通信系统。 3 对于室内覆盖无线接收系统，提出了一种新型的基于u 型反射板的双频天 线单元形式，采用厚的空气介质层以展宽带宽。 4 为了提高天线的增益，将异向介质覆层应用到所设计的天线中，仿真结果 表明，天线增益可提高2 4 d b 。 关键词；蜂窝移动通信双频段天线阵列天线赋形异向介质 a b s t r a e tt t a b s t r a c t t h ei n c r e a s i n gd e m a n df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e si n s p i r e st h en e e df o r a n t c r t t l a sw i t hh i g hp e r f o r m a n c es u c ha sm i n i a t u r i z a t i o n , w i d e b a n da n d o rm u l t i b a n d t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so i lt h ed e s i g no fv a r i o u sd u a l - b a n db a s es t t l l t i o na n t e n n a sf o r c e l l u l a rm o b i l er a d i o s t h ea u t h o r sm a j o rc o n t r i b u t i o n sa 心o u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 b yt a k i n gt h ea d v a n t a g e so f t h ep r i n t c x ld i p o l es u c ha ss i m p l es l a u e t u r ea n dl i g h t w e i g h t 。t h r e et y p e so fa n t e n n ae l e m e n t s 淝d e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h em u t u a l c o u p l i n gb e t w e e nt h ee l e m e n t si nt h ea r r a yc a nb er e d u c e d , b e c a u s et h es h a p eo ft h e p r i n t e dd i p o l ei sm o d i f i e da n dt h e nt h es p a c i n gb e t w e e ne l e m e n t si nt h ea n t e t l n aa r r a yi s d e c r e a s e d t h em c a s l , t l e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ev s w ri sl e s st h a n2i n ( 3 s m c d m a , 2 4 5 g i - i zw l a n , a n d3 gb a n d s ，a n dt h eb e a mw i d t ho ft h i sa n t e n n ai nt h eh o r i z o n t a l p l a n er e a c h e s1 2 0 0 b yi n t r o d u c i n gt h er e f l e c t o r 2 b yc h o o s i n gt h eb e s t0 1 1 ea m o n gt h e s e t h r e ea n t e n n a s 雒t h ed e m e n la 1 6 - e l e m e n ta n t e n n aa r r a yi sf o r m e d t h eb e a m - s h a p e dd e s i g no ft h ev e r t i c a lr a d i a t i o n p a t t e r nf o rt h ea r r a yw i t he q u a la m p l i t u d ea n du n e q u a lp h a s ee x c i t a t i o ni sa d d r e s s e db y u s i n ga n s o f th f s s1 0 0 。w h i c hn l a k e $ t h ea r r a yw i t ho 52e l e m e n ts p a c i n gm e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s t h e s e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea n t e n n aa r r a yi ss u i t a b l ef o r 9 0 0 1 8 0 0 m h zc e l l u l a rm o b i l er a d i o ss y s t e mw i t h1 2 0 0b e a mw i d t hi nt h eh o r i z o n t a l p l a n e 3 f o rt h ei n d o o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , an e wd u a l - b a n da n t e n n aw i t h u s h a p e dr e f l e c t o ri sd e s i g n e d b yi n c r e a s i n gt h et h i c k n e s so f t h ea i rm e d i u m , t h ew i d e r f r e q u e n c yb a n di sa e h i e v e a 4 i no r d e rt oi n c r e a s ei t sg a i n , t h ea n t e n n aw i t ht h em e t a m a t e r i a lc o v e ri sd e s i g n e d s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h eg a i no ft h ep r o p o s e da n _ t e i m ai n c r e a s e sa b o u t2 4 d b ， c o m p a r i n gw i t ht h ea n t e n n aw i t h o u tt h em e t a m a t e r i a lc o v e t k e y w o r d s ：c e l l u l a rm o b i l er a d i o s d u a l - b a n da n t e n n a a r r a y8 n t e l n l l as h a p e d m e t a m a t e r i a l 创新| 生声明 本人卢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；也不包含为获得西安电子科技大学或 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本研究所做 的任何贡献均己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。 本人虢丝日期型u ! 呈 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 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权甲何属西安电子科技大学。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，允许查阅和借阅论文；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。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 日期竺 ：! ：堕 日期 舯7 r 8 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了选题的背景和研究的价值及意义；简要阐述了蜂窝 移动通信系统的概念及其发展方向；并对蜂窝移动通信基站天线的研究 现状和进展作了归纳；对文中所使用的仿真软件h f s s 也作了大致介绍 同时，指出了本文的主要工作 1 1 选题背景及意义【卜“】 现代社会是信息的社会，而信息的传输需要进行大量的通信。由于人们对通 信的要求越来越高，任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务已 成为未来通信的目标。要实现这个目标，移动通信起到了非常重要的作用。 随着移动通信事业在世界范围内的迅猛发展，移动电话越来越多地为人们的 工作和生活提供着方便和快捷。它的可移动性、随时随地可保持通信联系等优越 性是固定电话所无可比拟的。近十年来移动用户数量正以惊人的速度增长并将继 续快速增长，这就要求系统容量越来越大，话音质量要求越来越高。移动通信系 统已经从第一代的a m p s 、t a c s 、n m t 等系统，第二代的g s m 系统和窄带c d m a 系统，发展到现在的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 等第三代移动通信系统。 近年来，我国的移动通信事业也取得了长足的发展：g s m 数字蜂窝移动通信 系统从无到有，实现了群体突破，已经大量装备到我国移动通信网；手机产业渐 成气候，已经形成自主品牌；关键配套元器件研发不断取得进展，少数领域还走 在世界前列；c d m a 通信系统的研发不断取得突破，系统产品已经具备商用条件； 拥有自主知识产权的t d - s c d m a 标准，已被国际电联组织正式批准为第三代移动 通信标准之一。随着移动网络和移动用户数量的迅猛发展，面对不断扩大的移动 通信市场，中国移动通信产业将面临着前所未有的发展机遇和挑战。 天线作为无线通信系统的咽喉要道，是辐射和接收电磁波的系统部件。天线 性能的优劣，对移动通信系统的总体性能起着决定性的作用，一副高性能的天线 能放宽系统的要求且改进整个系统的性能。现代天线设计的核心问题就是使天线 满足新系统中更为苛刻的技术要求，并且超越原有天线形式，满足新的系统要求。 移动用户的急剧增长，使得通信系统不断更新和扩容，为减小天线间的干扰并降 低成本，要求天线能在宽频带范围内工作，同时满足多个系统的通信要求，实现 多系统共用和收发共用。研究多个系统共用的基站天线可以减少天线的数目而降 低天线间干扰以及天线成本，而且可以共享原有的基站，因此，对多频基站天线 蜂窝移动通信双频基站天线设计 的研究是非常有意义的。 1 2 蜂窝移动通信简介 移动通信系统分为以下几种： 1 ) 大区制移动通信系统 早期的移动通信系统都采用大区制场强覆盖区，即一个基站覆盖很大的服务 区，半径约3 0 k m 5 0 k m 。这样使得基站和手机的发射功率要很大，基站的发射功 率往往高达几十到几百瓦，且要求很高的天线塔。大区制系统的特点是：整体覆 盖范围大、频道数目少( 容量小) 、移动台体积大，特别是用户密度高，业务量 大时，整个系统根本无法满足用户要求。 2 ) 蜂窝小区制移动通信系统 为了提高系统容量，有效利用频率资源，现代移动通信在场强覆盖区的规划 上多采用小区蜂窝结构。其特点是：小区覆盖半径小，一般为i k m 2 0 k m ，所以可 用较小的发射功率实现双向通信。若干个小区构成大面积的覆盖，相距足够远( 即 同频干扰足够小) 的小区可重复使用通信频率，即频率复用。采用这种方法，可 以对无限广大的地域进行覆盖，从而提高了频谱的利用率。 m s 移动台 b s 基站 m s c 移动交换中心 小区制蜂窝系统的最大优点是频率复用，使系统容量大大提高，有效地利用 了频率资源。但伴随而来的是技术实现上的复杂性，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 小区的规划， ( 2 ) 越区切换技术。 ( 3 ) 漫游技术。 ( 4 ) 无线信道资源管理和网络管理。 常见的蜂窝移动通信系统按照功能的不同可以分为三类，它们分别是宏蜂窝、 微蜂窝以及智能蜂窝，通常这三种蜂窝技术各有其特点： 1 ) 宏蜂窝技术 蜂窝移动通信系统中，在网络运营初期，运营商的主要目标是建设大型的宏 蜂窝小区，取得尽可能大的地域覆盖率，宏蜂窝每小区的覆盖半径大多为 l k m 2 5 k m ，基站天线尽可能做得很高。在实际的宏蜂窝小区内，通常存在着两种 特殊的微小区域。一是“盲点”，由于电波在传播过程中遇到障碍物而造成的阴影区 域，该区域通信质量严重低劣；二是“热点”，由于空间业务负荷的不均匀分布而形 第一章绪论 成的业务繁忙区域，它支持宏蜂窝中的大部分业务。以上两“点”问题的解决，往往 依靠设置直放站、分裂小区等办法。除了经济方面的原因外，从原理上讲，这两 种方法也不能无限制地使用，因为扩大了系统覆盖，通信质量要下降；提高了通 信质量，往往又要牺牲容量。近年来，随着用户的增加，宏蜂窝小区进行小区分 裂，变得越来越小。当小区小到一定程度时，建站成本就会急剧增加，小区半径 的缩小也会带来严重的干扰，另一方面，盲区仍然存在，热点地区的高话务量也 无法得到很好的吸收，微蜂窝技术就是为了解决以上难题而产生的。 2 ) 微蜂窝技术 与宏蜂窝技术相比，微蜂窝技术具有覆盖范围小、传输功率低以及安装方便 灵活等优点，该小区的覆盖半径为3 0 m 3 0 0 m ，基站天线低于屋顶高度，传播主要 沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄露小。微蜂窝可以作为宏蜂窝的补充和延 伸，微蜂窝的应用主要有两方面：是提高覆盖率，应用于一些宏蜂窝很难覆盖 到的盲点地区，如地铁、地下室；二是提高容量，主要应用在高话务量地区，如 繁华的商业街、购物中心、体育场等。微蜂窝在作为提高网络容量的应用时一般 与宏蜂窝构成多层网。宏蜂窝进行大面积的覆盖，作为多层网的底层，微蜂窝则 小面积连续覆盖叠加在宏蜂窝上，构成多层网的上层，微蜂窝和宏蜂窝在系统配 置上是不同的小区，有独立的广播信道。 3 ) 智能蜂窝技术， 智能蜂窝是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统，智 能地监测移动台所处的位置，并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的 蜂窝小区。对于上行链路而言，采用自适应天线阵接收技术，可以极大地降低多 址干扰，增加系统容量；对于下行链路而言，则可以将信号的有效区域控制在移 动台附近半径为1 0 0 - 2 0 0 波长的范围内，使同道干扰大为减小。智能蜂窝小区既 可以是宏蜂窝，也可以是微蜂窝。利用智能蜂窝小区的概念进行组网设计，能够 显著地提高系统容量，改善系统性能。 1 3 蜂窝移动通信基站天线的研究现状和进展 移动通信系统一般由移动台( m s ) 、基站( b s ) 、移动业务交换中心( m s c ) 和市话网相连接的中继线等组成，基站天线的作用就是在基站与服务区内各移动 站之间建立无线电传输线路。蜂窝移动通信基站对天线的基本要求包括； 1 天线能工作在多个频段或具有更宽的带宽。 2 天线具有较高的增益。 3 天线辐射方向图能满足要求，能使基站覆盖整个服务区。 4 蜂窝移动通信双频基站天线设计 4 为提高天线辐射效率，必须实现天馈线系统的阻抗匹配。 5 天线的体积尽可能小，结构紧凑。 移动用户数量以每年约两倍的速度增长，为满足用户密度较高的市区通常选 择小于l k m 的小蜂窝半径。在市区建筑上需要安装大量的基站天线，因此迫切需 要能节约架设空间且具有重量轻和低风荷等优点的天线。为了满足这些要求，近 年来人们研制了多别1 2 1 、双波束和极化分集1 4 1 等高性能基站天线。 从降低带外干扰信号的角度考虑，基站天线的带宽最好能同时满足多个系统 的频带要求，因此，需要研制双频或多频基站天线。根据现行通信标准 i 卯，已经 规划给g s m 公众移动通信系统及第三代公众移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 的工作频 段为8 2 5 8 3 5 m h z 8 7 0 8 8 0 m h z 、8 8 5 9 1 5 m 9 3 0 - - 0 6 0 m h z 、1 7 1 0 1 7 5 5 z 1 8 0 5 1 8 5 0 z 、1 8 8 吐1 9 2 0 m h z 2 0 1 0 之0 2 5 m h z 和1 9 2 0 1 9 8 0 m h z 2 1 1 0 v 2 1 7 0 珏i z 。 基站天线的类型取决于服务区的形状、大小以及蜂窝和信道的数量。全向天 线在同一水平面内各方向的辐射强度理论上是相等的，它适用于全向小区；定向 天线在水平面的辐射具备了方向性，适用于扇形小区的覆盖。对圆形或方形服务 区，可以采用全向天线，也可以采用4 个或3 个定向天线。对长方形区域，可以 采用定向天线或双定向天线。 基站天线多采用线极化方式，其中单极化天线多采用垂直线极化；双极化天线 多采用“5 0 双线极化。由于一个双极化天线是由极化彼此正交的两根天线封装在 同一天线罩中组成的，采用双线极化天线可以大大减少天线数目，简化天线安装， 降低成本，减少天线占地空间，是目前城市地区开放天线的主流。 增益方面，室外基站从全向天线增益9 d b i 到定向天线增益1 8 d b i 应用较多， 用于室内微蜂窝覆盖的天线增益一般选择队g d b i 。 全向天线水平面的水平波瓣宽度均为3 6 0 0 ，而定向天线的常见3 d b 波瓣宽度 有2 0 0 、3 0 0 、6 5 0 、9 0 0 、1 0 5 0 、1 2 0 0 、1 8 0 0 等多种。其中2 0 0 、3 0 0 的品种一般增益 较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；6 5 0 品种多用于密集城市地区典型基站 三扇区配置；9 0 0 品种多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖；1 0 5 0 品种 多用于地广人稀的地区典型基站三扇区配置的覆盖；1 2 0 0 、1 8 0 。品种多用于角度极 窄的特殊形状扇区的覆盖。根据标准，基站天线的水平面3 d b 波瓣宽度常用的主 要有三种，即6 5 0 、9 0 0 和1 2 0 。水平面3 d b 波瓣宽度主要通过调整天线反射板的 侧向高度、夹角及反射板的宽度来控制。 近年来出现了许多实现双频或多频基站天线单元的设计。对称振子作为基站 天线的常用基本单元之一，有多种结构形式，如平板对称振子、印刷对称振子。 ye b i n e 16 】等人设计了用印刷偶极子加寄生振子实现双频工作( o 8 ，1 5 g h z ) 的基 站天线。yl k u o 1 7 1 等人设计了新的双频印刷倒f 天线。et e f i k u 胡设计了一种有 第一章绪论 5 一对串联馈电印刷偶极子构成的双频天线。h d c h e n l l 9 1 设计了一个共面波导馈电 的双频单极子天线，天线由两个平行的单极子构成，单极子在末端连接由共面波 导线馈电。这些结构都是采用了印刷结构。t f t t k a s a w a 2 0 j 等人则设计了在平板对 称振子附近放置多个寄生振子的三频基站天线单元( o 9 1 5 2 0 g h z ) 。 近年来，国外也已有学者对基站天线中的反射板问题作过研究。e b i n e 2 1 1 分析 了多种反射板的形状，得到了单频基站天线最佳的反射板尺寸，0 l v e r 田j 等也对角 反射器形状进行了研究，但这都是在单个振子辐射的情况下得到的。 在蜂窝移动通信系统中，要求基站天线对使用相同频率的另一蜂窝辐射尽可 能低的电平，而在服务区内辐射尽可能高的电平，如图1 1 所示。由于人们总是希 望移动用户在该区域中有相等的接收信号电平消除远近效应，这就要求天线在该 服务区内有均匀的照射，即要求垂直面下半空间具有余割平方赋形功率方向图； 另外还要求天线垂直面上半空间的辐射电平应尽可能地低。因此必须对基站阵列 天线的方向图进行波束赋形设计，这是高性能基站天线设计的关键因素，赋形波 束技术可以使天线均匀照射自身所在的服务区，且抑制天线向服务区以外的辐射 可以提高天线增益，更重要的作用是减少向复用同一频率的另一邻近蜂窝的辐射， 从而提高基站的频率重用能力。1 9 9 5 年由k e n n e d y 和e b e r h a r t l 2 3 1 等开发的一种随 机智能搜索算法一粒子群优化算法( p s o ，p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 越来越得 到了人们的关注。与遗传算法比较，p s o 算法的优势在于简单容易实现同时又有 深刻的智能背景，既适合科学研究，又特别适合工程应用p s o 算法在阵列天线 领域也有了许多成功的应用渊1 2 5 】。 图1 1 波束赋形对频率重用的作用示意图 1 4 仿真软件介绍汹1 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 6 蜂窝移动通信双频基站天线设计 析和设计，再加工实物，然后进行实际调配，再根据仿真和实测的结果，进行理 论分析，重新进入下轮设计，直到取得满意的结果，达到设计指标。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。 本文在设计中主要使用了a n s o f t 公司的h f s s l 0 0 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、切线向量有限元、 a l p s ( a d a p t i v el a n c z o s p a r l 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( 将几何体分为四面体单元) 的 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的解信息， 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，都会加快仿真速度，提高仿真精度， 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； 基于有限元方法计算电磁问题，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问题的三维支配方程，但是， 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： v ( 去v 豆 一2 豆= 。 c - t ， 式中，是自由空间波数，是复的相对磁导率，t 是复的相对介电常数( 考虑 第一章绪论 7 了介质的损耗) 。 根据变分原理，上式的泛函可以写为： r 、 f ( 营) = 胞 ( v 豆) ( v 豆) 一k 0 2 啦雪 施( 1 - 2 ) l r 。，j 特别要指出的是，这只是无源区域内支配方程对应的泛函，还没有强加边界 条件和激励源。 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 l 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。 2 图1 2a n s o f l h f s s 软件中的线性四面体单兀 3 ) 单元插值 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， 让我们考虑图1 2 所示的四面体单元。在此单元内，未知函数矿能够近似为： ( x , y ，z ) = + 矿x + c y + d 。z ( 1 3 ) 则用四个顶点处的值矿( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 来表示： 4 矿。( 为只z ) = 写( x ，y ，z ) 彤( 1 - 4 ) 8 蜂窝移动通信双频基站天线设计 式中插值函数写( x ，y ，：) 为： 茸( 薯乃：) = 击( + 彤x + y + 彤z ) ( 1 - 5 ) 其中： 豸 = 单元体积 ( 1 - 6 ) 可以证明，插值函数具有如下性质： 写( w ) = 岛= 怯蜀( 1 - 7 ) 另外，当观察点位于四面体单元的第i 个结点的对面上时，l 7 ( x , y ，：1 为零。因 此，单元之间的连续性得到了保证。 将第f 个结点上的值记为彤，则，彤，彳，彤由下列等式可以获得： 矿2 若彳( 群+ 彤+ 搿+ 蝣) ( 1 - 8 ) 扩。否彳( 巧群+ 嘭尤+ 蟛蝣十鬈蝣) ( 1 - 9 ) ，2 吾了【彳群+ 淄+ 劈+ 掰) ( 1 - 1 0 ) 2 赤( 斫群+ 彤+ 蝣+ 掰) 0 - 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： a x = b ( 1 - 1 2 ) 式中系数矩阵a 是一个甩n t y 阵，i 是待求解的未知量，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 i tf i f s s 就是采用的分解法。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 ( 1 1 3 ) 其中，l 是一个下三角矩阵，u 是一个上三角矩阵。那么，先求解； 1爿蟛蜡 k m 1 6 = ， 矿 第一章绪论 g l y = b( 1 一1 4 ) 然后求解： u x - - - - y ( 1 1 5 ) 即可得n ( 1 一1 5 ) 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： 乃= 鲁 咒= 丢( 包一薹缸坛) 州 然后，x 可通过后向替代过程而获得： 0 - 1 们 ( 1 - 1 7 ) = 笠 ( 1 1 8 ) 2 0 而= 刊以一黾l f 疗 ( 1 - 1 9 ) * k - j + l 这种分解算法其计算的复杂度正比于d ( 3 l ( n 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d ( 3 ) 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 l i - i f s s 的自适应迭代算法 t 0 蜂窝移动通信双频基站天线设计 1 5 论文主要工作及内容安排 本文的主要工作是设计了1 6 单元蜂窝移动通信双频基站天线，从单元结构、 反射板到排阵赋形设计，并对一种室内覆盖双频宽带小型化的基站天线单元作了 设计，最后对异向介质覆层在提高基站天线增益方面作了一些研究。对于基站天 线的各种单元结构形式，我们实际制作并通过测量达到了设计要求。异向介质方 面由于时间关系仅做了仿真，但都达到了很好的效果。 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；简要阐述了蜂窝移动 通信系统的概念及其发展方向；并对蜂窝移动通信基站天线的研究现状和进展作 了归纳；对文中所使用的仿真软件h f s s 也作了介绍。同时，指出了本文的主要工 作。 第二章蜂窝移动通信基站天线单元的研究。本章设计的基站天线单元是一种 印刷对称振子天线，通过调整印刷在介质板两面的对称臂的长度来确定谐振频率， 我们对常规的对称振子做了变形设计，大大缩短了整个单元的大小，通过制作单 元并对三种加反射板后的印刷偶极子天线进行了分析、设计、仿真和制作，并给 出了驻波和方向图的测量结果。 第三章蜂窝移动通信基站天线设计。本章对基站天线阵列进行了设计，并给 出了驻波和方向图的仿真结果。通过对1 6 个基站单元进行阵列设计，达到了阵列 垂直面方向图赋形和水平面方向图波瓣宽度覆盖1 2 0 0 的设计要求。 第四章室内覆盖基站天线单元的设计。室内覆盖小型化基站天线实际上是一 种加了u 型反射板的单极子天线，利用厚的空气介质层展宽其带宽，并使其出现 双频特性，通过调整天线各参数使其频率覆盖了我国现行使用的c d m a ，g s m 9 0 0 ， g s m l 8 0 0 ，p h s 以及规划中的第三代移动通信系统工作频段。本章中采用加反射 板的单极子天线作为单元，分析其参数，使其达到双频、宽带及小型化的特性， 制作并测量了单元的驻波和方向图。 第五章异向介质在提高移动通信天线增益方面作了探索。通过异向介质共形 设计，我们将异向介质覆层应用在天线上，使得天线单元增益提高了2 4 d b 。对其 进行了分析、设计和仿真，并给出了驻波和方向图的仿真结果。 结束语对全文的工作加以总结，并提出了文中尚未解决、需要改进和进一步 研究的问题。 第二章基站天线单元和反射扳的设计 第二章基站天线单元和反射板的设计 本章主要介绍作为1 6 单元蜂窝移动通信基站天线单元的研究，对三 种加反射板后的印刷偶板子天线进行了分析、设计、仿真和制作，并给 出了驻波和方向图的测量结果结果证明水平面方向图波瓣覆盖达到 1 2 0 。，完全满足设计要求，且实现了小型化宽带和双频的目的，适用 于1 6 单元的排阵 在移动通信领域中，为了满足移动通信电话迅速增长的需要，要求在现有的天 线系统基础上增加新的频段。例如，原先的9 0 0 z 频段变得非常拥挤，为了增加 信道容量，就要求增加新的频段，如1 8 0 0 m h z 频段。在这种情况下，移动基站天 线通常每个频段要用两副天线，然而，这在天线数量和经济成本上考虑都是划不来 的。多频段工作的微带天线顺应了这一发展需求，在移动天线开发和应用中独树一 帜。 2 1 几种国内外基站天线的介绍 移动通信系统在世界各地得到迅猛发展，通信系统的不断升级，要求配置新 的频段，这就要求适合新频段的基站天线，这势必会增加天线数目，研究多个系 统共用的基站天线可以减少天线数目从而降低天线间的干扰以及天线成本，而且 可以共享原有的基站。总之，为满足急剧增长的移动电话用户的需求，采用多系 统与多频段技术是必需的。 日本n r r d o c o m o 公司研究人员e b i n e 等已于1 9 7 9 年在原有的8 0 0 m h z 频段 的模拟移动通信基站天线的基础上开发了8 0 0 m h z 模拟移动系统、8 0 0 m h z 和 1 5 0 0 m h z 个人数字蜂窝系统( p d c ) f 2 7 共用双频基站天线，其结构如图2 1 所示， 双频段阵元采用了双辐射器结构。8 0 0 m h z 和1 5 0 0 m h z 频段的阵列单元都采用印 刷偶极子结构，其中1 5 0 0 m h z 单元置于8 0 0 m h z 单元之前。由于在高频时栅瓣的 抑制对确定辐射单元位置是非常重要的，因此选择1 5 0 0 m h z 频段中心频率处的工 作波长作为单元间距，这样在9 0 0 m h z 时，阵元间距就变成了0 瓯( 九为9 0 0 m h z 时的波长) 。然而，非常小的阵元间距使阵元间的耦合变得非常严重。在阵元间插 入支节可以抑制阵元间的互耦。这样使得天线在8 0 0 m h z 时可以得到v s w r i 5 的2 0 0 m h z 带宽。为了达到所要求的天线增益，阵列单元数被选取为2 6 。此时分 为6 个子阵列，相应的阵元数分别是5 、4 、4 、4 、4 、5 。反射器位于辐射单元之 后，反射器形状的设计使得整个天线宽度最小。天线罩的直径是1 1 0 m m 。 蜂窝移动通信双频基站天线设计 图2 1 日本n r td o c o m o 公司研制的双频基站天线 另外，由日本人t o r uf u k a s a w a 等研制的三频段宽带偶极子基站天线 2 8 1 ， 如下图2 2 所示： z ( a ) 单元结构图( b ) 加反射板后的结构图 图2 2t o mf u k a s a w a 等研制的三频段宽带偶极子基站天线 此种天线单元是采用多个寄生振子的方式，达到三频段的效果。如图2 2 ( a ) 所示的p 1 是作为主辐射振子工作在9 0 0 m h z ，位于p l 两边的p 2 是作为寄生单元， 工作在1 5 8 g h z ，位于p l 上方的p 3 是作为第三个寄生单元，工作在2 0 g h z ，p 3 是作为p 3 的引向器，起到展宽p 3 ( 2 o g h z ) 带宽的作用，对其它的频段无影响。 具体尺寸参数如图2 2 ( b ) 所示，它采用1 4 0 。的夹角反射器，最后得到的水平面 波瓣宽度在三个中心频率上分别为1 2 2 。、1 2 4 0 和9 6 。 此外，我们还看到由希腊人z z a h a d s 等研制的线栅形反射板天线例，如下图 2 3 所示： 第= 章基站天线单元和反射板的设计 射单元 生单元 ( a ) 加反射板后的阵列结构示意图c b ) 单元结构示意图 图2 3z z a h a r i s 等研制的线栅形反射板天线 此单元采用平衡巴伦馈电( 图中只能看到包了层塑料的外壳) ，由一个主振子 和一个寄生振子做辐射元，工作在9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 频段，这样使得结构非常 紧凑，对于主扳子，寄生振子还起到了引向器的作用，这样既展宽了频带又达到 了双频的效果。 我们了解到出于减小实心反射板风阻的考虑，采用了这种线栅型反射板。连 接反射器各导体中点的支撑杆既可以是导体，也可以是绝缘体。通常，反射嚣导 体条的间距应小于或等于v 8 ( 九为高频段中心频率波长) ，文中取为 8 。反射板 各夹角均为1 2 0 0 ，最后得到的水平面方向图3 d b 波瓣宽度达到了1 2 0 0 。 2 2 双频基站天线单元的设计 要实现基站阵列天线的双频段工作，首先需要研制宽频带或多频段天线单元， 还要考虑传输线和功分器等馈电结构的宽带特性，以及反射板在双频或多频段工 作时的特性等多项指标的协调。 基站天线单元有多种形式：对称振子、单极子、环和贴片天线等等，鉴于文 献p 0 】中天线单元结构形式，且由于印刷振子天线具有重量轻、易于加工等优点， 因此，本文采用一种串联馈电的双面印刷带状振子天线作为基站天线单元，进行 了仿真设计和实验研究，简化了文献 3 0 l 的复杂结构形式，结构如图2 4 所示： 蜂窝移动通信双频基站天线设计 图2 4 印刷对称振子单元结构 此天线由两个串联馈电的印刷带状振子组成。两个印刷振子的臂长不同，分 别刻在薄电介质基片的两面，并通过平行微带线连接。平行微带线是宽度为职的 宽面耦合带线，特性阻抗为z o ，相对有效介电常数为t ，。采用双边结构具有一些 优点，比如容易实现带状振子之间的相反的线极化方向，不同宽度的平行微带线 可以提供不同的传输线阻抗值。这种双频天线具有结构简单，加工方便，成本较 低等特点。为了减小天线尺寸，以便能减小排阵间距从而缩小整个阵列长度，我 们对低频端的印刷振子进行了变形设计( 向下折) 。本文设计并制作了一副天线单 元实物模型，其介质基片厚度为2 r a m ，长l = 1 1 0 m m ，宽日= 9 9 5 r a m ，相对介电 常数q = 2 6 5 。振子宽彬= w 2 = 8 4 r a m ，长振子厶= 1 0 8 6 r a m ，h = 3 1 6 r a m ，短振 子厶= 6 2 r a m 。连接微带线d = 4 1 r a m ，职- - 3 4 r a m ，g o = 6 7 7 q 。馈线采用特性 阻抗5 0 q 的微带线，矾= 5 5 r a m ，长度，；4 0 6 r a m 。 仿真出的驻波图如下图2 5 所示： l 。 不，n 后射煽耻蛄l 7 l 、z u a ，1 e i r l | 1 f l l|、 | ； f 厂一 。一、 1 o1量2_a2 量 频率( o h z ) 图2 5 单元不加反射板时的驻波图 丝三主茎些墨垡兰垂塑垦墅堡塑堡生 ! ! 从仿真的驻波图可看出其频带低频段带宽为2 5 0 m i - l z ( 8 5 0 m h z 1 1 0 0 m h z ) 、 高频段为7 5 0 m h z ( 1 4 0 0 m h z 2 1 5 0 m h z ) ，v s w r 2 。 仿真的方向图如图2 6 所示： 慈赫 婚! 。渺 、一 2 7 口 ( a ) 9 0 0 m h z 的e 面方向图 1 0 2 7 0 ( c ) 1 8 0 0 m h z 的e 面方向图 慈裁 辫 裂 ? ，i 卜： j 瞎o ( b ) 9 0 0 m h z 的h 面方向圈 - 稳j o 。 彰 e i o ( d ) 1 8 0 0 m h z 的h 面方向图 图2 6 单元不加反射板时仿真的e 面和h 面方向图 从仿真出的方向图可以看到符合一般对称振子方向图，即e 面呈8 字形，h 面呈全向形，但由于印刷振子天线长臂相对于短臂起到反射器的作用，使得h 面 方向图歪向于一边。 口 柏 抛 们 竹 o o 砑 弛 o ， l 2 l ，_f11ll，-_1-lljlji1111l，_】 4 3 4 | 1 o 2 1。j。1lr。1jj o 佃 抽 w 萄 伸 o 蜂窝移动通信双频基站天线设计 2 3 单元加反射板的设计 在蜂窝移动通信中，水平面辐射方向图要根据服务区的形状确定，对于典型 的基站三扇区配置，通常要求基站天线水平面辐射方向图具有6 5 0 ，9 0 。或1 0 5 。的 3 d b 波瓣宽度。扇区覆盖基站天线的基本结构通常是由直线辐射阵列加反射板构 成。典型的扇形波束天线是角反射器天线，通过调整反射器的夹角来控制波束宽 度，矩形平板等结构形式的反射板也用于产生扇形波束。对于直线形的基站天线， 反射板截面形状对基站天线的前后比特性和水平面辐射方向图起着非常重要的作 用，而基站天线垂直面方向图主要通过阵列设计来实现。一般来说，天线的前后 比指标与天线反射板的电尺寸有关，较大的电尺寸将提供较好的前后比指标。如 3 d b 水平波瓣宽6 5 。的天线水平尺寸大于3 d b 水平波瓣宽9 0 0 的天线，所以，3 d b 水平波瓣宽6 5 0 的天线前后比一般会优于3 d b 水平波瓣宽9 0