（电磁场与微波技术专业论文）移动通信中的双频段天线的研究.pdf

l 恻愀匙必 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 献均已在论文中作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：筌亟尘至日期：垒! ! ：! ：f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 筮醯：互 日期： 丝g 主： 导师签名：日期：塑! 壁：! ：! ! 气 ， 移动通信中的双频段天线的研究 摘要 近年来，随着移动通信事业在世界范围内的迅猛发展，移动通信 用户数量迅速增长，无线频谱资源变得越来越紧张。为减小工作在不 同频率下的天线间的干扰并降低成本，要求移动通信天线能在宽频带 范围内工作，同时满足多个通信系统的要求。因此，对天线提出了宽 频或双频要求。 在移动通信中，直放站作为基站的补充，对移动通信网络中的信 号盲区和弱信号区具有相当好的覆盖效果。而直放站天线是直放站的 重要组成部分，直接影响到直放站的覆盖范围和信号质量。 本文从移动通信入手，详细介绍了应用于移动通信系统的直放站 天线以及当前双频段、宽频带天线的发展和应用。另外对电磁场和天 线的基本理论以及电磁仿真、天线的测量的基本技术进行了说明。 本文中给出了一款新型圆筒形双频带天线。利用电磁仿真软件对 所设计的双频天线结构进行了建模和仿真，对影响天线性能的结构和 关键尺寸进行了研究和总结，从而得到天线结构最优尺寸，最终加工 制作出一款双频段天线。通过对天线进行了驻波比、方向图、增益的 详细测量并和软件仿真结果进行了比对和深入的分析。最终得到一款 满足无线通信中应用需求的双频段天线。该天线覆盖了国内移动通信 的所有频段，可以为多个系统所共用。 关键词：移动通信直放站天线双频段天线电磁仿真 ， o t h er e s e a r c ho fd u a l b a n da n t e n n a i nm o b i l ec o m 吼代7 n i c a t i o n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，嬲t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n si n d u s t r y i nt h ew o r l d w i d ea n dt h ef a s tg r o w t ho ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nu s e r s ，s p e c t r u m r e s o u r c e si sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys t r a i n e d i no r d e rt or e d u c et h ei n t e r f e r e n c e b e t w e e na n t e n n a sw o r k i n gi nd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n dc o s t , t h eb r o a d b a n da n t e n n a s a r er e q u i r e d ，w h i c hc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e r e f o r e aw i d e b a n do rd u a l b a n da n t e n n ai sp r o p o s e d i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , 雒as u p p l e m e n tt ot h eb a s es t a t i o n , t h er e p e a t e r s y s t e mh a saf a i r l yg o o dc o v e r a g et ot h eb l i n ds p o t sa n dw e a ks i g n a la r e ai nam o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t a n dt h er e p e a t e ra n t e n n ai sa ni m p o r t a n tp a r to ft h er e p e a t e r s y s t e m ，w h i c hh a sad i r e c ta f f e c to nc o v e r a g ea n ds i g n a lq u a l i t y t l l i sp a p e l s t a r t sw i t hab r i e fi n t r o d u c t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dg i v e sa d e t a i l e di n t r o d u c t i o no fr e p e a t e rs y s t e mi nm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so fd u a l - b a n da n db r o a d b a n da n t e n n a t h e n ，t h eb a s i c t h e o r yo fe l c c t r o m a g n c t i cf i e l d sa n da n t e n n aa r ep r e s e n t e da n da n a l y z e d a sw e l l 够 t h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o na n dt h eb a s i ca n t e n n am e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s an o v e lc y l i n d e rs h a p ed u a l b a n da n t e n n ai sg i v e n e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n s o f t w a r ei su s e df o rt h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ed u a l - b a n da n t e n n a a n dt h e i m p a c to ft h ea n t e n n a sk e yd i m e n s i o n st ot h ep e r f o r m a n c ei sr e s e a r c h e da n d s u m m a r i z e dt og e tt h eo p t i m a ls i z eo ft h ea n t e n n as t r u c t u r e f i n a l l y , t h es t r u c t u r a l d i m e n s i o n sm e e t i n gw i t hr e q u i r e m e n t sa r ea c h i e v e d ，a n dt h ea n t e n n ap r o t o t y p ei s f a b r i c a t e d t h ed e t a i l e dm e a s u r e m e n t so ft h ea n t e n n a , i n c l u d i n gv s w d i r e c t i v i t y a n d g a i n a r e p r o c e s s e d t h em e a s u r e m e n t r e s u l t sa r e c o m p a r e dw i t h t h e e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y z e d a tl a s t ，t h ep r o p o s e da n t e n n a s a t i s f i e st h ew o r k i n gr e q u i r e m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i tc o v e r sa l l d o m e s t i cm o b i l ec o m m u n i c a t i o nb a n d sa n d c a nb es h a r e db ym u l t i p l es y s t e r n s k e yw o r d s ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e p e a t e ra n t e n n a d u a l b a n da n t e n n a e l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o n 目录 第一章绪论。l 1 1 研究背景及意义。l 1 2 本论文结构安排。2 第二章直放站及直放站天线。4 2 1 移动通信直放站5 2 2 直放站天线6 2 2 1 直放站天线的分类6 2 2 2 直放站天线的选择7 2 2 3 移动通信基站、直放站天线发展的新趋势：美化天线一8 2 2 4 当前的直放站天线1 2 2 3 小结。1 4 第三章电磁场基本理论和微波测量1 5 3 1 电磁场的基本关系1 5 3 1 1 麦克斯韦方程组1 5 3 1 2 功率密度及坡印廷定理1 6 3 2 天线及其辐射场理论17 3 2 1 基本元的辐射1 8 3 2 2 天线主要参数2 l 3 3 天线设计中的电磁数值仿真软件2 4 3 4 天线的测量2 6 3 4 1 天线测量的特点和测量内容2 6 3 4 2 网络参数的测量和矢量网络分析分析仪2 7 3 4 3 天线方向图的测量j 2 8 3 5 ，j 、结3 0 第四章双频段天线的分析和设计3 l 4 1 宽频和双频段天线3 l 4 2 双频段天线的设计3 5 4 2 1 圆筒形双频段天线的结构3 5 4 2 2 圆筒形双频段天线的仿真和分析3 8 4 3 圆筒形双频段天线的仿真和测试4 5 4 3 1 圆筒形双频段天线的驻波比测试4 5 4 3 2 圆筒形双频段天线的增益和方向图4 6 4 4 ，j 、1 2 i 5 0 第五章结论与展望5l 5 1 本文主要研究成果5 1 5 2 后续工作5l 参考文献5 3 致谢5 6 攻读学位期间发表的学术论文目录5 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 现代社会，通信尤其是移动通信已经称为人们工作和生活中不可或缺的一部 分。在任何时间和任何地点向任何人提供及时可靠的通信服务已经成为通信事业 的现在和未来的目标。 根据传输方式、频率范围、应用场合的不同，无线通信可以分为很多类型。 虽然不同的无线通信系统其具体设备的组成、复杂程度和性能要求等各个有所不 同，但其基本框架大致是相同的。无线通信系统基本组成的结构图如图i - i 所示。 扬 南 器 图卜i 无线通信系统基本组成图 如图i - i 所示，在虚线以上的部分称为发送设备，即发信机；在虚线以下的 部分称为接收设备，即收信机。收发设备公用一套天线及天线开关。信道为自由 空间。话筒和扬声器为通信系统的终端设备。 当今世界，移动通信在全球范围内发展迅速，移动电话给人们的工作和生活 提供着越来越多的方便。移动通信的移动性、即时即地保持通信畅通等优势是固 定电话所无法比拟的。近十年来，移动通信的用户数量飞速增长，这就要求移动 通信的系统容量越来越大，对通信质量的要求也越来越高。移动通信系统己经从 第一代的a m p s ( 先进移动电话系统，a d v a n c e dm o b il ep h o n es y s t e m ) 等模拟 蜂窝系统，到第二代的g s m ( 全球移动通讯系统，g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 和窄带c d m a ( 码分多址，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等个人移动通信系统，一直发展到现在的w c d m a ( 宽带分码多工存取，w i d e b a n d 北京邮电大学硕士研究生学位论文 c d m a ) 、c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a ( 时分同步的码分多址技术，t i m e d i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 等第三代移动通信系 统，其通信系统功能愈来愈强，系统容量和通信质量等性能也愈来愈好。 最近十几年，移动通信事业在中国也得到了很好的发展。第二代g s m 和c d m a 数字蜂窝移动通信系统从无到有，到现在已经在我国移动通信网成熟并广泛使 用；移动手机产业也逐渐壮大，很多手机企业已经形成自主品牌；中国拥有自主 知识产权的第三代t d s c d m a 移动通信标准，己经被国际电联组织( i t u ) 与欧美 的标准一起被正式批准为第三代移动通信标准。随着移动通信网络和用户数目的 迅速发展，移动通信市场不断扩大，中国的移动通信产业必将会有更大的发展和 更美好的未来，为人们的生活带来更大的方便。 从图卜1 可以看到，在任何无线通信系统中，所有的信号都必须通过天线发 射和接收。天线作为无线通信系统的重要部件，信息传输的“交通要道 ，它的 性能好坏对整个的系统的性能有着直接而关键的影响。而一个性能优良的天线可 以大大减低系统其他部件的技术指标要求，并提升整个系统的性能。因此，天线 在现代通信系统中的作用和地位愈来愈重要。各个通信系统都需要性能更好、体 积更小、重量更轻、制造简单、成本更低的新型天线。 随着现代通信系统的发展，频谱资源愈来愈紧张，在空间中各种频段的通信 系统网络共存。这一方面增加了建设通信系统的建设成本，另一方面，天线作为 各个系统与无线电波的媒介，其他通信系统的不同频段的无线电波给天线带来了 直接的干扰。为了减少天线间的干扰，以及减少重复建设不同频段的天线，要求 天线能在较宽频带内工作，其频带特性能覆盖不同频率的通信系统，同时满足多 个系统的通信要求，实现多系统公用。 在移动通信产业中，各个通信系统功能相近，工作频带也较为相近，其不同 天线之间的电磁干扰更加严重。所以，宽频段和多频段的基站直放站天线已经 成为当前国内外移动通信天线领域的重要研究方向。 1 2 本论文结构安排 本论文的主要工作为分析了国内外直放站及其天线还有宽频带、双频带天线 的最新研究状况，特别是直放站和直放站天线的最新发展趋势，分析了国内外相 关专利和论文，设计了一款双频段圆筒型天线。通过电磁仿真软件对天线进行建 模仿真，以得到影响天线性能的关键尺寸参数，最后加工成实物样品进行测量， 验证天线的性能。 全文共分为五章，具体内容如下： 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章为绪论。首先阐述了本文选题的研究背景及意义，介绍了无线通信的 基本概念和移动通信的发展，并指出了天线在通信系统中的重要地位。然后从当 前无线通信尤其是移动通信的新发展引出了通信系统对宽频带和双频带天线的 需求。最后介绍了本文的主要研究工作。 第二章为直放站及直放站天线。首先介绍了直放站的基本概念和基本构成； 然后重点介绍了直放站天线的分类、应用场合以及直放站天线目前存在的问题及 发展趋势；最后从技术和设计的角度对直放站天线的几种结构进行了分析和说 明。 第三章为天线的基本知识，包括天线基本理论和天线的测试。基本理论主要 总结了麦克斯韦方程组的基本概念和天线的基本原理和指标，对在天线设计中使 用的主要电磁仿真软件进行了介绍和比较。另外还介绍了天线的测量，包括测量 驻波比和方向图等，还对矢量网络分析仪进行了说明。 第四章为双频段天线的分析与设计。首先对宽频带和双频带天线进行了说 明，对天线实现宽频尤其是双频带技术指标的几种设计进行了分析。接着本文给 出了一款圆筒形双频段天线的设计。通过电磁仿真软件对天线进行建模仿真，对 影响天线性能的关键尺寸参数进行了分析和总结，得到天线的最优化结构和尺 寸，最后加工成实物样品进行测量。仿真和实测结果表明，天线的工作频段覆盖 了国内移动通信的频段，有较好的增益和方向图。 第五章为结束语，对全文的工作加以总结，综述研究成果和相关结论，并提 出文中尚未解决、需要改进和进一步研究与探索的问题。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章直放站及直放站天线 一般来说，移动通信指的是移动通信用户( 包括移动的人、汽车、轮船、飞 机等) 之间、或者移动通信用户与固定通信用户( 例如固定电话用户) 之间的通 信。移动用户和有线电话通信的过程如图2 1 所示。 图2 i 移动电话和有线电话通信示意图n 1 从图2 - i 可知，移动系统使用者( 人) 的语音音频信号首先要通过移动终端 ( 一般为手机) 的天线以射频和微波信号的形式传送到基站的收发信机( b a s e t r a n s c e i v e rs t a t i o n ，b t s ) ，再由基站的收发信机将信号传送给基站控制器 ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ，b s c ) 。基站控制器收到信号后，将其转换成固定 电话信号，然后把信号传送给移动交换中心( m o b i l es w i t c h i n gc e n t r e ，m s c ) ， 移动交换中心再将信号发送给固定电话交换机，最终信号一直传到目标的固定电 话。在这个过程中，信号从移动终端到基站的收发信机是无线信号，其他过程都 可以用地面通路( 通信光缆、通信电缆等等) 完成信号的传输。从这个通信示意 图中可以得出结论：在整个通信过程中，除了有移动终端( 手机等) 以外，还必 须有基站的收发信机、基站控制器、移动交换中心的统一配合才能够顺利完成。 其中从移动终端到基站收发信机，他们之间的通信必须有基站天线才能够完成。 由此可见，移动终端之所以有移动性是因为有了基站天线，基站天线在整个移动 通信系统中发挥着“上传下达”的重要作用n 1 。 目前，移动通信用户数量每年快速增加。为满足用户数目的增长，在人员密 度高、移动用户密度高的城区通常选择较小的蜂窝网络半径( 一般小于1 千米) 。 在市区建筑上需要安装的基站数目很多，相应的基站天线的数目也很多。除了基 站以外，为了构建“无缝隙蜂窝网络 ，作为对蜂窝网络和基站的补充，有大量 的直放站分布其中。 进入9 0 年代以来，在移动通信产业的快速发展之下，移动通信直放站市场 得到了持续的发展乜1 。目前在中国国内，移动通信网络运营商对直放站的需求仍 4 h u 搬 北京邮电大学硕士研究生学位论文 然保持了上升的趋势。究其原因，主要是通信运营商之间的竞争在逐渐加剧；移 动通信用户对优质无线覆盖和通信质量的要求日益增加；以及通信运营商在运营 成本、效益、增加投资回报以及业务收入等方面所承受的压力与日俱增。由于以 上原因，通信运营商不断加大对无线覆盖解决方案的投入，加强其研究与建设， 改善通信网络质量和服务质量。 2 1 移动通信直放站 直放站是一种无线通信系统中在信号传输过程中增强信号强度的中继放大 设备。在移动通信系统中，直放站的原理结构图如图2 2 所示： 施生无线 图2 - 2 直放站的原理结构图 由图2 - 2 所示，在下行通路中，天线接收基站通信信号，通过低噪声放大器、 选频器、滤波器得到噪声低、信号质量较好的通信信号，通过功放放大到一定功 率，通过天线重新发出，覆盖相应的通信范围。而上行通路将直放站覆盖范围内 移动通信终端的信号接收，通过信号放大等环节，以更大的功率发送给基站。在 直放站中，负责与基站通信的天线为施主天线，沟通基站与直放站之间的通信通 路，一般采用方向性很强的定向天线。负责与移动通信用户终端通信的为重发天 线，或称服务天线、工作天线，沟通直放站和移动终端之间的通路，它在该直放 站所覆盖的区域内，其实起到了一个小基站天线的作用。两个天线均同时负责收 发的功能。 直放站的性能指标主要有以下几点：智能化( 例如能否实施远程监控) 、低 i p 3 ( 按照标准规定，i p 3 必须小于- 3 6 d b m ) 、低噪声系数( n f ) 、整机的可靠性以 及良好的技术服务等。 在现代移动通信网络中，直放站的作用越来越大，主要是因为直放站可以在 不增加基站数目的前提下保证良好的蜂窝通信网络覆盖，同时直放站本身的成本 等远低于能达到同样覆盖效果和通信质量的微蜂窝网络。和蜂窝网络的普通基站 相比，直放站具有结构简单、投资较少、安装布设方便等优点。直放站一般用在 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 蜂窝网络基站难以覆盖或覆盖效果不好的信号盲区和弱信号区等地方，例如各种 建筑物内部、机场、地铁、隧道、高速公路，以及偏远乡村和海岛等各种场合， 以提高信号质量，解决打电话突然信号中断等问题。 根据传输信号、应用场合、传输带宽以及传输方式的不同，直放站可以按照 以下类型分类： ( 1 ) 从传输信号分有g s m 直放站和c d m a 直放站； ( 2 ) 从安装场所来分有室外型机和室内型机，其中室内型直放站输出功率 很小，主要用于地下停车场、商场、娱乐场所和大型会议室等。 ( 3 ) 从传输带宽来分有宽带直放站和选频( 选信道) 直放站，其中选频式 直放站是为了选频，将上、下行频率下变频为中频，进行选频限带处理后，再上 变频恢复上、下行频率。 ( 4 ) 从传输方式来分有直放式直放站、光纤传输直放站和移频传输直放站。 直放式直放站是下行从基站接收信号，经放大后向用户方向覆盖；上行从用户接 收信号，经放大后发送给基站。为了限带，加有带通滤波器。光纤传输直放站是 将收到的信号，经光电变换变成光信号，传输后又经电光变换恢复电信号再发出。 移频传输直放站是将收到的频率上变频为微波，传输后再下变频为原先收到的频 率，放大后发送出去。 2 2 直放站天线 从2 1 节可以得知，直放站最关键的作用是能够在所在区域内达成信号的较 好覆盖，保证良好的信号质量。作为直放站重要组成部分的直放站天线，它的性 能好坏直接关系到直放站的覆盖范围和通信质量，起到了非常重要的作用。 2 2 1 直放站天线的分类 按照水平波瓣宽度、垂直波瓣宽度、工作频段及业务、形状结构、工作原理 的不同，直放站天线可以分为以下几类： ( 1 ) 按水平方向波瓣宽度分类，直放站天线可分为全向天线和定向天线。 这与移动通信网络的特点有直接关系。移动通信直放站是为了覆盖通信网络信号 盲区，盲区的形状多种多样，相应的直放站天线的水平方向方向图也要符合盲区 的具体形状。常见的移动通信直放站天线水平方向图如图2 - 3 所示口1 。 6 北京邮电大学硕士研究生学位论文 3 6 0 。双向角度1 8 0 半向 9 0 1 5 。 图2 3 常见的直放站天线波束水平面波瓣宽度图嘲 ( 2 ) 按天线垂直面波瓣宽度分类也与移动通信网络的特点有关。无线通信 网络覆盖区域通常为一个水平面，其信号覆盖范围集中在水平面上，垂直方向覆 盖的范围没有太高的要求，一般都要求垂直方向的波瓣宽度较窄，即一个“又扁 又平”的波瓣。一般的天线垂直方向波瓣如图2 4 所示。 。， 4 一一 m ，j ：* 一，i ( 固黔薯簪 v ， w 。 ，。+i 图2 - 4 常见的直放站天线波束垂直方向图口1 ( 3 ) 不同的移动通信系统有不同的工作频段、带宽，其相应的直放站天线 也就有工作频段、带宽等区别。 ( 4 ) 一般来说，直放站就在我们日常生活工作的周围，其形状也会根据其 所处环境的变化而有所不同。按照天线形状结构分类，直放站天线可分为板状天 线、抛物面天线、角形天线、八木定向天线、吸顶天线、壁挂天线、隐形美化天 线等。 ( 5 ) 在2 1 节中，已经提到了直放站天线按照其分工和工作原理的不同可 分为施主天线( 或源天线) 和服务天线( 或工作天线) 。 2 2 2 直放站天线的选择 在直放站布设的工程中，需要根据具体的场合和应用，提出对直放站天线具 体的体积形状，方向图、增益等各类性能参数的具体指标，按照这个指标选择合 适的直放站天线。一般来说，直放站的选择和应用主要有以下几种应用场合： ( 1 ) 偏远的郊区以及乡村居民区。这些区域远离城市，其蜂窝基站较少， 基站的信号覆盖不到或者信号较弱，这种情况下需要对整个区域用直放站进行覆 盖。根据当地的实际情况，可以分为有光纤资源或无光纤资源但有较弱的移动通 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 信基站信号的地区两种。对于有光纤资源的地区，在布设直放站时，可以采用光 纤直放站，直接从通信光缆中接收基站信号，通过选频滤波放大后由重发天线覆 盖整个区域。对于没有光纤资源但有较弱的通信基站信号的地区，直放站需要施 主天线接收这个较弱的基站信号，通过放大等处理后再重发出去。此时，因为基 站信号较弱，施主天线需要有很强的方向性，一般采用扇形波束天线、抛物面天 线等。而服务天线需要覆盖整个区域，所以一般采用全向高增益天线，这样就可 以很好的解决这些地区的覆盖问题口，。 ( 2 ) 城市里的室外盲区，例如街道社区、广场、绿地、运动场等。城市里 本身移动通信蜂窝小区密集，基站很多。一方面其本身的通信信号覆盖就较好( 信 号盲区有限且一般成不规则形状) ，另一方面由于基站很多，电磁环境也极为复 杂和恶劣。在这些地方使用直放站，等于是在基站中间又加了一个同频辐射源， 其上行信号的噪声会引入施主基站，降低了基站接收机的接收灵敏度，使得基站 的电磁环境更加恶劣。所以在这些区域，直放站的施主天线需要用方向性更强的 天线，在技术指标上要求水平波束角小、方向性好、前后比大等等。对于区域有 限且成一定形状的信号盲区，重发天线通常选用定向天线，并且增益要合适( 避 免二次干扰附近基站) ，要求有较好的互调、驻波比等性能。同时还要求直放站 的重发天线和施主天线之间的隔离度较好。 ( 3 ) 城市里的室内盲区，包括各类建筑物，例如各类办公场所，尤其是内 部空间大的大型建筑，例如会展中心、电影院、体育馆，另外还有地下室等等。 这些建筑一般本身处在移动蜂窝小区的覆盖范围内，室外移动通信基站信号覆盖 良好，但由于建筑本身对信号的屏蔽等原因，室内变成移动通信信号的盲区。在 这些室内盲区安设直放站时，一般可以用施主天线从室外的附近基站接收移动通 信信号，通过信号放大后通过设在室内的重发天线覆盖室内信号盲区。因为室内 本身容积有限，所以重发天线可以采用体积小、低增益、外形美观隐蔽的壁挂、 吸顶天线。其性能只需能有效覆盖室内区域即可。 ( 4 ) 交通干线，包括铁路、公路、河流航道、地铁、隧道等。这些区域均 为线形，移动通信信号只需沿交通线覆盖即可。一般直放站的施主天线可以采用 各类方向性较强的天线接收基站信号，重发天线使用高增益方向性较高的双向天 线，对交通线沿线区域进行覆盖1 。 2 2 3 移动通信基站、直放站天线发展的新趋势：美化天线 现代社会，随着移动通信用户数目和密度的增大，移动通信网络的压力也在 迅速增大。为了保证移动通信的通畅和通信网络的畅通，各大移动通信运营商加 大了移动通信蜂窝网络的建设，尤其是在人口密度大的城市，一般都是通过加大 北京邮电大学硕士研究生学位论文 蜂窝网络的密度( 如微蜂窝网络等) 来达到移动通信网络和信号百分之百全覆盖、 无缝隙覆盖全部地区的目的，这需要建设大量的移动通信基站。但随着通信基站 数目的不断增多，新的问题逐渐显现，主要是移动通信网络建设和城市环境以及 居民之间的矛盾h ，。具体如下： ( 1 ) 天线外形明显突兀，影响城市整体环境 在人口密集的城市，建筑物密集，但同时城市也是移动通信蜂窝小区分布最 为密集的区域。各种形状各异却又高高耸立的移动通信基站天线及其附属设施， 如支撑架、楼顶塔等，在周围的建筑及环境显得很明显和突兀，与周围环境难以 融合，影响了城市整体的美观。 另外，在中心城区，移动通信蜂窝网络分布更为密集，不同运营商的不同网 络在布设基站时因为有限的站址资源而经常共站址布设基站。在这些地方，不同 网络、不同频率的天线挤在一起，显得更加杂乱无章。 ( 2 ) 功率电磁辐射源，导致人们产生抵触不安 随着人们对生活环境要求的提高和环保意识的增强，近几年来，有关电磁污 染和辐射对人体的危害的问题得到愈来愈多的关注。国家对电磁辐射防护限值中 公众照射限值和电磁辐射源的管理均有严格的要求随1 。 当然，运营商在进行移动通信网络建设过程中，均己考虑到电磁辐射的要求， 其相关的设计和电磁辐射指标能够符合国家规定的关于公众最低电磁辐射的标 准。但身边裸露的移动通信基站天线毕竟是一个大功率的辐射源，仍然会给注重 环保的人们带来一种整天处于大功率电磁波照射下的不安全感。 ( 3 ) 天线直接暴露，影响通信质量和天线寿命 在移动通信基站的全部设备中，只有天线直接暴露在外面。在风吹、日晒、 雨打、低温、高温等恶劣自然天气中，天线很容易老化或者天线结构被损坏，影 响到天线的性能指标，进而影响到所在基站的覆盖和通信质量，同时减少天线的 寿命引。 以上三个原因使得传统的移动通信基站天线已经不能满足现代社会对移动 通信网络的要求。在这样的状况下，对天线进行美化和伪装以弱化或消除以上三 个负面影响的想法逐渐被提出，也已被证明是一个较好的解决问题的方法。 天线美化或伪装是指对天线的各个部件，包括天馈线、支撑杆等等暴露部件 进行外观美化，使其“隐身”，完美地融入周围的建筑和自然环境中去。这一方 面使各种天线不在明显突兀，美化了周围的环境，同时也减少了周围人们对“此 处有一电磁辐射基站”的注意和不安，另外还将天线的各个部件置于外壳的保护 之下，保护天线，延长了天线的寿命。 当然，移动通信网络的根本目的是为用户提供优质的通信服务，所以美化天 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 线的前提是必须保证移动通信网络的通信质量和信号覆盖效果，不能因为天线的 伪装而减低了天线及移动通信网络在性能指标上的要求。 在移动通信网络建设中，对天线的美化并没有固定的模式，都是“因地制宜 ， 根据当地具体的布设环境来决定和设计天线的美化建设方案。一般来说，美化和 伪装天线一般都有如下几种典型的美化方案，它们分别对应着不同的布设场合： ( 1 ) 将天线和天线支撑杆用假树叶和假树干来“包装 ，做成一棵树或其它 植物的模样，达到天线“隐形的目的。在一些本身绿化良好的居民小区、城市 公园或者自然旅游景点，可以采用这个方案。不过这种纯粹“因地制宜一的设计 方法需要考察当地的实际环境，天线、天线支撑杆以及“伪装网”等部件需要专 门的设计的定做，成本较高，布设的施工周期也较长1 。具体如图2 - 5 所示。 图2 - 5 拟合植物的美化天线 ( 2 ) 将天线与城市中原有的人工设施相结合，既不影响原有设施的功能， 同时在设施上附加了天线，移动通信网络覆盖的功能一样可以实现。例如将天线 附加在草坪灯、路灯杆或广告牌中，一方面完成了通信网络覆盖，另一方面不引 人注意( 设施原有功能并不影响) ，更重要的是，这些人工设施在城市中很常见， 因此这种美化天线的方法很容易普及。在建设的过程中，对天线及其附属设施在 专门设计和定做的压力也要小很多。草坪灯和路灯天线如图2 6 所示。 l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 - 6 拟合草坪灯、路灯杆的美化天线 ( 3 ) 在城市里，移动通信基站一般都设立在建筑的顶层。此时可以通过在 建筑的楼顶设立几个“灯塔”或者“烟囱 ，将天线安装在里面，一方面与建筑 原本的建筑风格等融为一体，另一方面隐藏了天线。“灯塔”形式的美化天线如 图2 - 7 所示。 图2 - 7 楼顶灯塔形式的天线 北京邮电大学硕士研究生学位论文 以上三种仅仅是几个实际布设美化天线的案例。对移动通信网络天线进行美 化和伪装的方法还有很多，根据当地的具体环境和条件总能有使天线披上“伪装 网不被人察觉的设计和布设方案。只要能在保证移动通信网络质量的前提下对 天线进行美化和伪装就可以了。 有一点需注意的是，美化和伪装天线和原有的裸露式天线在加工和布设上， 美化和伪装天线需要用到各种各样因地制宜的伪装材料。这些材料不能对天线的 性能有影响，例如在透波率上的指标等等。另外还要防腐、防晒、防老化，要能 很好的保护天线耵1 。 2 2 4 当前的直放站天线 在目前直放站的应用中，应用最广泛的为全向型的直放站天线，下面就直放 站中的全向天线进行分析和说明。目前的可应用为直放站天线的全向天线有多种 样式，如用多段长度均为名，2 的同轴线段在其两端把内外导体交叉换位连接而 成的天线阵。或者是把2 2 长反相电流段的导线折叠或绕成螺旋线的富兰克林共 线阵。这两种形式的共线阵虽然具有全向性，但由于它们的单元长度都是严格按 照五2 来弯折或截取线段的，因此，如果频率发生变化或者截取的线段长度不准， 就无法满足辐射单元所需要的同相相位关系而形成误差，而且这种误差随着节数 的增加而不断积累和增大的，这些误差将造成天线主瓣倾斜和增益下降，所以只 适合窄频带工作。也有利用两个背靠背2 2 扼流套来抑制五2 长线段上的反相电 流而形成的另一种共线天线阵碡1 ，这种天线阵由于采用底馈，因而很难实现l o d b 以上的天线增益。多段同轴振子和交叉振子天线图如图2 - 8 所示，富兰克林天线 阵如图2 - 9 所示。 1 2 套 图2 - 8 多段同轴振子和交叉振子天线( 左为同轴振子天线，右为交叉振子天线) i s 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图2 - 9 富兰克林天线结构图哺1 目前在国内的直放站全向天线研究领域，有提出了中馈缝隙耦合套筒偶极子 天线阵的结构。它可用于移动通信基站全向天线用的宽带共线天线阵隋1 ，其结构 如图2 - 1 0 所示。整个装置由空气介质同轴线和多个共线偶极子组成。采用中馈， 使上半部分和下半部分天线辐射对称，克服了底馈共线天线阵波束倾斜的缺点； 采用了空气介质同轴线，克服了已有共线天线阵增益难以超过l o d b 的不足；此 外在中馈同轴线内导体的不同距离上，附加有极端阻抗匹配段和微带阻抗匹配 段，扩展了天线工作频带，使天线在8 7 0 9 6 0 m h z 和8 2 4 8 9 6 m h z 频段内，天线增 益为1 l d b 。在整个工作频段内，天线的电压驻波比v s w r i 4 ，且具有良好的电 气性能和机械性能。虽然可以实现高增益和较宽频带，但其工作频带仅限于 9 0 0 删z 的频段。 图2 1 0 中馈缝隙耦合套筒偶板子天线阵的结构 1 3 w 1 1 9 刀槲孔斗步 j j 9 7 m义掣力 去t 罢t 卫 北京邮电大学硕士研究生学位论文 国内在上述的中馈缝隙耦合套筒偶极子天线阵的结构的基础上又提出了一 种波束下倾宽带全向共线天线阵的实现方法n 们，其波束如图2 一l l 所示。它主要 解决了同类天线阵用改变套筒偶极子之间金属管长度调试天线波束下倾时所遇 到的加工、调整不便的问题。该天线通过改变环状介质套的长度来改变偶极子之 间馈电同轴线的长度。对于中馈共线天线阵，采用缩短上半部分加载分馈同轴线 中的介质套长度，加长下半部夹在分馈线中的介质套长度，分别达到改变中馈点 上、下半部偶极子之间的距离。具有加工方便，成本第，容易调整的优点，可用 作移动通信的波束下倾宽带全向中、底馈共线天线阵。 0 s 1 0 2 柏 图2 - 1 1 波束下倾宽带全向共线天线阵的垂直面方向图 另外，国内在基站直放站的双频段天线方面，有9 0 0 1 8 0 0 删z 双频双极化 的天线，其工作频带在8 7 0 9 6 0 m t t z ( 或者8 2 4 8 9 6 m h z ) 、1 7 1 0 1 8 8 0 m h z ，水平瓣 宽为6 0 。一6 5 。1 。 2 3 小结 本章主要介绍了移动通信直放站的原理结构，然后对直放站天线进行了详细 的说明，包括直放站天线的分类、选择，重点介绍了当前直放站天线的新发展趋 势：美化天线。最后从技术的层面对直放站天线的几种结构进行了分析和说明。 1 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章电磁场基本理论和微波测量 3 1 电磁场的基本关系 3 1 1 麦克斯韦方程组 在1 8 8 4 年，科学家麦克斯韦建立经典电磁学理论麦克斯韦方程，从理论 上预言了电磁波的存在，并在1 8 8 7 年由赫兹所证实。由该方程所导出的一系列 关于电磁场的基本关系及相关结论是求解电磁学问题的理论依据。 麦克斯韦方程组是从电磁实验定律中归纳出来的支配所有宏观电磁现象的 一组基本方程组，其微分形式为： v e = a 衍b - ( 法拉第电磁感应定律) v x 万：了+ 掣( 全电流安培环路定律) 优 v d = 夕( 电场的高斯定律) v b = 0 ( 磁通连续性原理) 式中，e 为电场强度，单位为v m ；d 是电位移，单位是c m 2 ；b 是磁感应 强度，单位是t ；日是磁场强度，单位是a m ；，是电流密度，单位为a m 2 ；p 是 电荷密度，单位是c m 3 。通常称e 、d 、曰、日是场变量，称j 、p 是源变量。 麦克斯韦方程揭示了电磁场和它们的源的内在规律。从麦克斯韦方程可见， 除了传导电流产生磁场外，变化的电场( 麦克斯韦称之为位移电流) 也是磁场的 源；除电荷长生电场外，变化的磁场也是电场的源u 钉。 与上述微分形式对应的积分形式为： 正孔了= 工p 斗i 妒d 7 = 一f 警d 1 5 北京邮电大学硕士研究生学位论文 护d s = o p _ 一 4 五d i = g 式( 3 - 8 ) 从式( 3 2 ) 和式( 3 3 ) 中可以导出电流连续性方程，因此在麦克斯韦方程 中没有将其写入。电流连续性方程的微分形式和对应的积分形式是： v 了：一望 式( 3 9 ) 西 c 了d i ：一f 皇2 d v式( 3 1 0 ) d o t 进一步分析可以看出，麦克斯韦方程包含7 个独立的标量方程，但却包含了 e 、d 、b 、日、，和p 等变量，其中每个矢量各有3 个分量。因而，被称为 麦克斯韦方程的非限定形式。为此引入媒质的本构关系，来限定e 与d 、曰与日、 e 与- ，之间的关系。媒质的本构关系指的是媒质的宏观电磁特性与场矢量之间的 关系。其一般形式为： d = s o e - f p 、 否= l o