（环境工程专业论文）移动通信中一种新型宽频基站单元研究.pdf

摘要 2 摘要 随着移动通信的发展，对基站天线也提出了越来越高的要求。不但要求其具 有更宽的频带或多个频带，而且还要有较高的增益，良好的方向图等，同时在结 构方面体积尽可能小，结构尽可能紧凑以减小风阻，降低安装时对环境的要求。 本文前两章回顾了移动通信的发展历程，并对天线的基本理论，及本文所用到的 仿真软件h f s s 的理论基础有限元法做了一个简单的介绍。第三章详细叙述了一种 覆盖c d m a 8 0 0 m h z g s m 9 0 0 m h z 的宽频双极化基站单元的设计，通过仿真和实 际测试，都证明了它具有良好的电压驻波比、隔离度、方向图以及增益。同时该 单元采用铸造工艺制造，与普通的微带单元相比，不但成本更低，结构稳固，而 且三阶交调更好。最后一章采用泰勒综合法，设计了一款8 单元，电下倾角为4 度的阵列天线，通过测试完全满足移动通信的指标要求。 关键词：宽频双极化基站天线泰勒综合法 a b s t r a c t 3 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，h i g h e ra n dh i g h e rd e m a n d sh a v e a l s ob e e nr a i s e df o rb a s es t a t i o na n t e n n a s ，s u c ha sb r o a d b a n do rm u l t i p l eb a n d s ，h i g e r g a i n ，g o o dp a t t e m sa n ds oo n a tt h es a m et i m eac o m p a c ts t r u c t u r es i z ea ss m a l la s p o s s i b l ei sr e q u i r e di no r d e rt or e d u c ea i rr e s i s t a n c ea n dh a v eal o w e ri n s t a l l a t i o n r e q u i r e m e n ti ne n v i r o n m e n t t h i sf i r s tt w oc h a p t e r sr e v i e wt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n a l s om a k eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ea n t e n n a sb a s i ct h e o r y , a n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) w h i c hi st h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rh f s sas i m u l a t i o n s o f t w a r eu s e di nt h i sp a p e r i nc h a p t e ri i i ，ab r o a d b a n dd u a lp o l a r i z a t i o nb a s es t a t i o n a n t e n n au n i tc o v e r i n gc d m a 8 0 0 m h z g s m 9 0 0 m h zi sd e s c r i b e di nd e t a i l t h r o u g h s i m u l a t i o na n da c t u a lt e s t sh a v ep r o v e dt h a ti th a sag o o dv o l t a g es t a n d i n gw a v er a t i o ( v s w r ) ，i s o l a t i o n ，p a a e m sa n dg a i n a tt h es a m et i m et h em o d u l ei sm a n u f a c t u r e db y c a s t i n gp r o c e s s c o m p a r e dt oa no r d i n a r ym i c r o s t r i pe l e m e n t ，n o to n l yd o e si t h a sa l o w e rc o s t s t r u c t u r a ls t a b i l i t y , b u ta l s oab e t t e rt h i r d o r d e ri n t e r m o d u l a t i o n i nt h el a s t c h a p t e r , a8c e l l s a n d4 0d e c l i n a t i o na n g l e a r r a ya n t e n n ai sd e s i g n e du s i n gt a y l o r s y n t h e s i s ，t e s t h a v e p r o v e d i t f u l l ym e e t s t h ei n d e x r e q u i r e m e n t s o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：b r o a d b a n d d o u b l ep o l a r i z a t i o n b a s es t a t i o na n t e n n a t a y l o rs y n t h e s i s 声明 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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，除了文中特另t l d n 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：丕选缮么肇日期鲤! 旦! ：生 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 本人签名 导师签名 年解密后适用本授权书。 日期边! 壁! i ，些 日期塑! ! ：查：竺 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及选题意义 现代社会是信息的社会，而信息的传输是通过通信来完成的。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。 移动通信采用无线方式，具有机动、灵活的特点，在军事和人们的生产实践 活动中得到日益广泛的应用n 1 ，移动通信是发展速度最快的电信业务之一，有人曾 预测到本世纪全世界的电话将有一半是移动电话。 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，这对系统容 量的要求越来越大，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 二 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。 表1 1 截j k 2 0 0 1 年世界上移动电话超过固定电话的地区 1 9 9 3 年1 9 9 8 年1 9 9 9 印2 0 0 0 年2 0 0 1 年 发展柬埔寨科特迪比巴林碑茨f 纳非洲2 0 多个凶家 l i 经以也列镏利埃尔萨尔纯多q 矿洲的需加拉、马尔 济体 韩凼 摩洛哥菲 l 宾代犬、泰i 目、文浆、 巴拉? l ：卢旺迭新加坡蒙古圆、上耳其等： 乌1 i 达采内加尔塞 尔拉荚及南美的玻利维 委内瑞拉斯洛文人三q e 南1 卜矩、巴拉l j 、苏啭南、 地桑尼眶t ，凼台湾一扣q 扩那等。 龌蝤哥t l ，凼香港 发达 ；：；：兰奥地利冰岛英园漠人利q 扩、新四? 皇 经济 t 】幽否：港比利时希腊 瑞典、挪威、氆班才、 体意人利爱尔兰卢森曝衙哇：i 才二、德嘲、霞邀 稚绚牙荷兰m 联苘尔、煲地利等 总共 121 02 4 9 7 个 天线作为无线通信系统的终端，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 移动通信中一种新型宽频基站单元研究 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，对宽频基站天线蜂 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 移动通信的发展 现代移动通信技术的发展始于2 0 世纪2 0 年代，是2 0 世纪的重大成就之一， 在不到1 0 0 年的时间中，随着计算机和通信技术的发展，移动通信也得到了巨大 的发展，其发展速度令人惊叹。移动通信已成为人们生活的一部分，移动用户的 数量与日俱增。而第二代移动通信系统( 2 g ) 向第三代( 3 g ) 的演迸，促进了技术融 合，促使全球统一标准的形成。总之，移动通信系统是一个不断演进的系统，各 种新技术的发展和应用将推动下一代移动通信系统不断向前迈进担1 。 自2 0 世纪7 0 年代后期第一代蜂窝网( 1 g ) 在美国、日本和欧洲国家为公众开放 使用以来，频谱资源的不足和模拟电子技术的局限性制约着蜂窝移动通信的发展。 在数字通信技术发展和信息高速公路新概念的推动下，移动通信的研究也开始考 虑数字蜂窝系统的应用可能性和实际可能获得的好处。这包括能否获得更大的容 量、更好的语音质量以及传送数据业务。直至1 9 9 0 年，泛欧数字蜂窝网正式向公 众开放使用，采用数字时分多址( t d m a ) 技术，信道带宽2 0 0 k h z ，使用新的9 0 0 m h z 频谱，称之为g s m ( 全球移动通信系统) 系统，属于第二代蜂窝网( 2 g ) ，这是 具有现代网络特征的第一个全球数字蜂窝移动通信系统，从而使g s m 成为世界上 最为流行的数字蜂窝标准，随后，世界各国政府又联合制定了g s m 的等效技术标 准一d c s l 8 0 0 ，它在1 8 g h z 一2 g h z 的频段上提供个人通信业务( p c s ) 。在北美， 出现几种不同制式的数字蜂窝网，1 9 9 1 年开始使用数字时分多址( t d m a ) 技术， 1 9 9 3 年又有基于码分多址( c d m a ) 的数字蜂窝移动通信系统，分别称为i s 一5 4 和 i s 一9 5 。 日本也发展t d m a 技术的数字蜂窝系统，称为个人数字蜂窝系统( p d s ) 。表 1 2 为1 9 9 5 年以前世界主要数字移动标准。2 0 世纪9 0 年代后，第二代数字蜂窝网( 2 g ) 广泛应用，数字通信技术成为大势所趋，2 g 除了提供移动手机互通电话外，还容 许移动用户的手机或便携计算机实现数据通信。这意味着，2 g 的基站可能提供这 类应用的不对称传输通路，用户至基站方向的上行信息较短，而基站至用户方向 的下行线路传送信息可以较长。这样的蜂窝网被称为g p r s ( 通用分组无线业务) ， 即介于2 g 和3 g 之间，俗称二代半( 2 5 g ) ，也即2 g 与未来3 g 的过渡。 第一章绪论 表1 21 9 9 5 年以前世界主要数字移动标准 蟓酲绞翻籀c括穗费爱年贽够辫援入耱裁溺翻 稿媾错蹙 默洲g s m蜂；，p c s1 9 吣t d m 9 9 0 9 6 0m h z g m s k 2 i 缸 瞅洲c t 2无蝇1 9 窖9f d m a黼一配8m h zg f s kl k h z 驶捌d e c l 无蝇】，9 31 叫幢j 彤的j 如d m 钯g f s k1 7 嚣k h z 酸洲d c 争】g 蜂窝，p c s 1 9 9 3t d m 1 7 1 0 - - l 敷叼m h lo m s k0 0 0 k h z 燕雹u s d cti s - 簟i 娃胄 i 硼l lt d m 8 2 4 8 舛m h z - d 口p s x3 0 k h z 矍隔c d p d蜂窝1 9 昭f h ，分缎8 拍舶嚏m h tg m s k3 0 岫 炎雹l s - 9 哆 p c s l 修3c d m a 3 4 拍嶂m h z q v s v , u p s k 1 2 s o h 1 8 2 d g h z 羹饵d = s - 1 9 0 0 【( 恣m )p c s1 9 9 4t r , m t g 一l 卵0m h ， g m s k 笤mk m ， 荧蔼p c s 龙蟪，只嬲 1 9 9 r d m a , ，f d m a1 8 1 9 9 0m h z 4 - d q p s k 3 k m z 荧灞撇ss m r ，p c s 1 9 9 t o m 嚣下 1 6 - q a m 2 ，k 日本p d c 雌冀 1 9 9 3 t d m 0 1 0 j 5 0 im 1 4 z 芤j 4 - d q p s k 2 5k h z 日奉p h s羌托1 9 9 3t d m ai 棚- s 1 9 0 7w n 冀，4 r x t p s k 3 k l - l z 往l ( = d p d ( c 麓1 l u l l xd l l 比吐p a c k h 弧 ) 蟠冀敢字分雅致据t 棚蟮m 嘲椭l m 螺嘛融翼山o s ，嘲n 一难撬罗投曩成雹魂晨娩 第三代移动通信系统( 3 g ) 被称为国际移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) ，是一 种能提供多种类型、高速数据传输、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖， 具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何 地点进行不同种类的通信系统。第三代移动通信系统的目标为口 8 1 ：1 ) 用户可以 在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率、不同运动状态下获得有质 量保证的服务；2 ) 提供话音、可变速率的数据、活动视频非话等业务，特别是多 媒体业务；3 ) 可以综合现有的公众电话交换网( p s t n ) 、综合业务数字网、无绳 系统、地面移动通信系统、卫星通信系统等提供无缝隙的覆盖；4 ) 足够的系统容 量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。 为实现上述目标，对其无线传输技术( r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y ，r t t ) 提 出了以下要求：1 ) 高速传输以支持多媒体业务，其室内环境至少2 m b i t s ，室内外 步行环境至少3 8 4 k b i t s ，室外车辆运动中至少1 4 4 k b i t s ，卫星移动环境至少9 6 k b i t s ；2 ) 传输速率能够按需分配；3 ) 上下行链路能适应不对称需求。 第三代移动通信系统主要有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 三种技术体 制。 表1 3 三种主要体制 毫i j 。黑m l 域墩 牢囔罐础试嘲嗣 l 一商- 1 ：，；敖皋冬c 弘恼略带宽a 任k 分中接l j 咳心l q w c d m a 体制的核心网基于g s m g p r s 网络的演进，保持与g s m g p r s n 络的 兼容性。核心网络可以基于t d m 、a t m 和i p 技术，并向全i p 的网络结构演进。核 心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，完成电路型业务和分组型业务。u t r - 4 移动通信中一种新型宽频基站单元研究 a n 基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向i p 方向发展。m a p 技术和g p r s 隧道技术是宽带码分多址( w c d m a ) 体制移动性管理机制的核心。空中接口采 用w c d m a ，信号带宽5 m h z ，码片速率3 8 4 m c p s ，a m r 语音编码，支持同步异 步基站运营模式，上下行闭环加外环功率控制方式，开环( s t t d 、t s t d ) 和闭环( f b t d ) 发射分集方式，导频辅助的相干解调方式，卷积码和t u r b o 码的编码方式， 上行b p s k 和下行q p s k 调制方式。 c d m a 2 0 0 0 体制是基于i s - 9 5 的标准基础上提出的第三代移动通信系统( 3 g ) 标准，目前其标准化工作由3 g p p 2 来完成。电路域继承2 g ，i s 9 5c d m a 网络，引 入以w i n 为基本架构的业务平台，分组域基于m o b i l ei p 技术的分组网络，无线接 入网以a t m 交换机为平台，提供丰富的适配层接口。空中接口采用c d m a 2 0 0 0 兼 容i s 9 5 信号带宽为n x l 2 5 m h z ( n = 1 ，3 ，6 ，9 ，1 2 ) ，码片速率为n x l 2 2 88m c p s ， 8 k 1 3 kq c e l p 或8 ke v r c 语音编码，基站需要g p s g l o n e s s 同步方式运行，上 下行闭环加外环功率控制方式，前向采用o t d 和s t s 发射分集方式，反向采用导频 辅助的相干解调方式，编码方式采用卷积码和t u r b o 码，调制方式为上行b p s k 和 下行q p s k 。 t d s c d m a 标准由中国无线通信标准组织c w t s 提出，目前已经融合到3 g p p 关于w c d m a t d d 的相关规范中。核心网基于g s m g p r s 网络的演进，保持与 g s m g p r s 网络的兼容性。核心网络可以基于t d m 、a t m 和i p 技术，并向全i p 的 网络结构演进。核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业 务和分组型业务。u t r a n 基于a t m 技术，统一处理语音和分组业务，并向i p 方向 发展。m a p 和g p r s 隧道技术是w c d m a 体制移动性管理机制的核心。空中接口采 用t d s c d m a ，具有3 s 特点，即智能天线( s m a r ta n t e n n a ) 、同步c d m a ( s y n c h r o n o u s c d m a ) 和软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 。t d s c d m a 采用的关键技术有智能天线+ 联合检测、多时隙c d m a + d s c d m a 、同步c d m a 、信道编译码和交织( 与3 g p p 相同) 、接力切换等。 随着第三代移动通信系统的不断成熟，国内外有关第四代移动通信的研究正 在悄然进行。由于未来移动通信系统要求能更好地支持多媒体、数据、i n t e m e t 及 其综合业务等，因此第四代移动通信系统无论在业务、功能、频带上都不同于第 三代系统。其关键技术主要体现在以下几个方面阳 舯：1 ) o f d m 技术属于多载波 调制( m c m ) ，将指配的信道分成许多正交子信道，在每个子信道上进行窄带调制 和传输，同时要求信号带宽小于信道的相关带宽。由于o f d m 技术具有良好的抗噪 声性能和抗多径干扰的能力，以及频谱利用率高、硬件实施简单等特点，普遍认 为是第四代移动通信系统的核心技术：2 ) 软件无线电技术，实现系统间无缝切换， 保证用户能在不同系统间漫游，移动终端和网络的再分配，使系统具有良好的灵 活性、可扩展性：3 ) 智能天线系统具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调 第一章绪论 节等功能，用于提高系统信噪比，提高系统通信质量和容量，同时可降低系统整 体造价；4 ) 移动智能网技术与i p 技术结合，i p 技术将成为未来网络的核心关键技 术，在业务控制分离的基础上，网络呼叫控制和核心交换传送网的进一步分离， 使网络结构分为业务应用层、控制层以及由核心网和接入网组成的网络层。 1 3 移动通信对基站天线的要求 基站天线是移动通信系统的重要组成部分，它的作用是有效地发射或接收电 磁波。发射天线把高频电流形式的能量转变成同频率的无线电波能量发射出去， 接收天线将其接收下来的高频无线电波能量转变成同频率的电流能量。最基本的 无线电通信系统，如图1 1 。信号经发射机调制成高频电流能量，经馈线送至发 基站移动台 图1 1 无线通信系统原理框图 射天线。发射天线将能量转换为向空间传播的电磁波，并按指定方向经过一定方 式的传播之后，在接收端用接收天线再将信号接收下来。 随着移动通信系统在容量和质量上的不断升级，对基站天线提出了越来越高 的性能指标要求。基站天线工作在复杂的移动传播环境下，移动信道通常受到地 形、温度、湿度等环境因素的影响，移动电波在空中传播时将受到多方面的衰落， 这些都会对通信质量产生不利的影响。而通信系统优化的目标之一就是为人们提 供可以接受的通信质量，因此必须采取必要的技术手段和方法来改善通信质量， 基站天线的设计不能仅仅局限于天线电设计本身，而是要从系统设计的角度，综 合考虑传播、系统和环境条件等因素，充分挖掘天线硬件的全部潜力，形成满足 系统要求的多功能天线系统。 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； 6 移动通信中一种新型宽频基站单元研究 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 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 来人们研制了多频乜、双波束乜2 1 和极化分集乜3 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。根据现行通信标准乜4 | ，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 l l z 9 3 0 9 6 0 m h z 、1 7 1 0 - , 1 7 5 5 m h z 1 8 0 5 1 8 5 0 m l l z 、1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 2 0 1 0 2 0 2 5 m h z 和1 9 2 0 1 9 8 0 m h z 2 1 1 0 2 1 7 0 m l l z 。 采用何种基站天线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4 5 。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 至u 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0 8 d b i 。 全向天线水的平面波瓣宽度均为3 6 0 。，而定向天线的常见3 d b 波瓣宽度有2 0 。、3 0 。、6 5 。、9 0 。、粗0 5 。、1 2 0 。、1 8 0 。等多种。其中2 0 。、3 0 。的天线一 般增益较高，多用于狭长地带或高速公路的覆盖；6 5 。天线多用于密集城市地区 典型基站三扇区配置；9 0 。天线多用于城镇郊区地区典型基站三扇区配置的覆盖； 1 0 5 。天线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 。、1 8 0 。天线 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，f l | 6 5 。、9 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。 第章绪论 1 4 大线设计中的几个关键问题 i4l 基站单元的设计 基站天线单元的研制是基站阵列天线设计的基础。为满足通信中多频带、多 极化的需要，首先要求天线单元具有相应的特性。在移动通信中，为减小天线之 间的干扰，降低成本，希望能减少天线数日。通常宽带微带印刷偶极予被选作基 站天线的单元。n u n e s 等。”提出了双频段微带印刷单元，而z a h a r i s 等提出采用耗l 振子天线作为基站天线单元。k i m 等“”则从设订波束倾斜加载天线单元的角度米考 虑实现基站天线难卣面波束倾斜。随着新材料的出现和机械加工水平的发展，性 能更好，成本低廉的新振子不断出现，如图1 2 ，图13 。 一 一 目12 印刷振子 l4 2 基站天线反射扳的设计 幽13 金属铸造振子 移动通信中种新啦宽频基站单元研究 基站天线水平面辐射方向图要根据服务区的形状确定。对丁基站多扇区配簧， 通常要求基站天线水、f 面辐身j 方向图具有6 5 。，9 0 。或1 0 5 。的3 d b 波瓣宽度。通 常采用角形反射器或矩形平扳等结构形式的反射板来实现扇形波束。为了仕天线 能满足水甲辐射波瓣宽度且具有较大的前后比特性，需要对反身于扳的形状进行设 计。r i k u t a 等”对各种形状反射板的前后比特性进行了深入地研究，为合理地选用 反射扳形状提供了定的依掘。另外，反射扳的多频带特性也是值得研究的问题。 ( a )c o ) 由w 著 l： o ： 一 c e ) 蝣谨 幽14 并种反射扳形状 13 塾站天线赋形波束的设计 在蜂窝移动通信系统叶 要求基站天线对使用相同频率的另一蜂窝辐射尽可 引15 蜂窝系统中天线波柬要求 能低的电平，而在服务区内辐射尽可能高的电平。由下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来消除远近效应，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，如图1 5 所示，这是高性能基站天线设计的关键因素。赋形 波束技术可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， 第一章绪论 9 同时可以提高天线增益，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，其中一种有效的方法是波束向下倾斜。 y a m a d a 刚等采用最小二乘法对多频段基站天线的垂直面方向图进行赋形设 计，但设计结果要调整激励幅度，不利于工程实现。文献m 1 采用方向图相乘和局 部极值优化的方法，涉及反射板的影响，通过改变单元间距和馈电相位进行了波 束赋形设计，在单元数较少的情况下，初步使天线垂直面方向图实现了上半空间 旁瓣抑制和下半空间零点填充。对天线进行整体建模并采用先进的进化类算法对 天线进行优化设计是实现波束赋形设计的最佳途径，有利于挖掘天线的潜力。因 此采用全局进化算法优化设计基站天线，在便于工程实现的情况下，对其方向图 进行多频段赋形是需进一步研究的问题。 1 4 4 极化分集天线 分集接收技术在基站中的应用有效地降低了多路径衰落效应，通常采用的空 间分集方式需要两个或两个以上的天线，这对天线的架设提出了较高的要求，同 时也提高了系统成本，而且空间分集的两个天线之间的相互耦合也会引起天线方 向图的畸变口。空间分集的缺点可以用极化分集来弥补，极化分集的两个天线可 以位于同一个物理位置，要求的空间比空间分集小，这样简化了天线的安装要求 且降低了成本，同时对解决极化失配问题有一定的作用。 x z p o r t ip o r t 2 图1 6 极化分集天线 y 1 4 5 智能天线技术 智能天线是基于自适应天线阵原理，利用天线阵的数字波束形成产生多个独 立的波束，并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户，达到提高信号干扰噪声 比和增加系统容量的目的。图1 7 是单个用户情况下的智能天线原理结构图。由图 可以看出，智能天线系统口2 1 由天线阵列、模数转换、波束形成网络以及自适应数 字信号处理器组成。智能天线的智能性主要体现在天线波束在一定范围内能够根 l o 移动通信中一种新型宽频基站单元研究 据用户的需要和天线传播环境的改变而自适应地进行调整，是由以数字信号处理 貉垮人射角 - 一- - - - _ - - - - 一- _ i m 自适应熬佰哆烛崖嚣 图1 7 单用户情况下智能天线原理结构图 和自适应算法为核心的自适应数字信号处理器和以动态自适应加权网络构成的自 适应波束形成网络来完成的。但实际的智能天线则需要处理多个用户的情况，其 结构图十分复杂。 与其他阵列天线系统一样，智能天线中阵列单元问的相互耦合也会使其辐射 方向图失真。在阵列的数字信号处理中考虑补偿天线的相互耦合影响是值得关注 的，s t e y s k a l 和h e r d 口3 1 提出了一种有效的耦合信号补偿方法，它利用阵列天线测量 的单元激励方向图对均匀线阵导出了一种基于傅里叶变换的闭式误差矩阵估计算 法，但这是基于单模耦合假设的，而实际中的耦合信号会存在很多模式。 1 5 本文的研究内容 本文的研究内容如下： 第一章对无线通信的发展状况做了一简要的介绍，回顾基站天线的发展历程。 同时提出一个好的基站天线应满足那些要求。 第二章阐述了天线的基本理论，基本概念。对本文使用的电磁仿真软件h f s s 的理论基础一有限元法做了一个简略的描述。 第三章作为本文的设计部分，详细的阐述了一个新型宽频、双极化基站单元 的设计过程。 第四章对阵列天线赋形设计常用的两种方法，切比雪夫综合法和泰勒综合法 做了一个较为详尽的叙述。最后在泰勒综合法的基础上设计了一款增益为1 7 d b 的 宽频双极化天线，并通过实际测试，满足了设计指标的要求。 第一章绪论 第五章作为结束语，总结了该天线单元的优点与缺点，并确定了下一个阶段 的研究重点。 第二章天线的基本理论及数值算法 第二章天线的基本理论及数值算法 2 1 引言 天线的电参数决定于天线的形式和工作频率，天线的电参数包括输入阻抗、 辐射电阻、方向图、方向系数、增益、效率以及描述天线的频带特性、极化特性 的电参数等。就一定的天线形式和工作频率计算其电参数，称为天线分析。根据 用途和工作频率对天线电参数提出的要求设计天线型式称为天线设计或天线综 合。本书主要讨论天线的综合。本课题是用h f s s 进行仿真设计的，h f s s 是以有 限元法( f e m ) 为理论基础的，所以在第二节中也对有限元法做了一个简单的理论介 绍。 2 2 天线辐射单元的电参数 2 2 1 辐射方向图口4 1 天线的辐射方向图( 简称方向图) 是天线的辐射参量随着空间方向变化的图形 表示。所谓辐射参量包括辐射的功率密度、场强、相位和极化，在通常的情况下 辐射方向图在远场区域测定，并表示为空间方向坐标的函数( 称为方向函数) 。实 际上，我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，在没有特别指明的情况下，辐 射方向图一般均指功率通量密度的空间分布。 由电基本振子的分析可知，天线辐射出去的电磁波虽然是一球面波，但却不 是均匀球面波，因此，任何一个天线的辐射场都是具有方向性。所谓方向性，就 是在相同距离的条件下天线辐射场的相对值与空间方向的关系。取坐标系如图2 1 图2 1 方向图所采用的坐标系 所示，天线位于坐标原点。在距天线等距离( r - - 常数) 的球面上，天线在各点产生 的功率通量密度或场强( 电场或磁场) 随空间方向( p ，咖) 的变化曲线，称为功率方 1 4移动通信中一种新型宽频基站单元研究 向图或场强方向图，它们的数学表示式称为功率方向函数或场强方向函数。 天线在( 9 ，妒) 方向辐射的电场强度e ( o ，妒) 的大小可以写成： i e ( o ，) i = a o f ( o ，妒) ( 2 - 1 ) 式中4 是与方向无关的一个常数，f ( o ，妒) 是归一化的方向函数，实际上常用功率 通量密度或归一化场强值来表示方向图，称为归一化方向图。设s ( o ，咖) 和f e ( p ，) l 为( p ，) 方向上的功率密度和电场强度函数，归一化的功率密度和电场强度为： p ( o ，妒) ：掣 。u f 删，= 背 和功率密度和电场强度函数的最大值。显然 ( 2 2 ) ( 2 3 ) p ( o ，妒) = f 2 ( d ，妒) ( 2 - 4 ) 在三维坐标中，方向图描绘了一个三维曲面，这样的方向图称为立体方向图 或空间方向图。立体方向图形象、直观但画起来复杂。由于这个缘故，天线方向 图通常是用两个互相垂直的主平面内的方向图表示，称为平面方向图。主平面的 取法因问题的不同而异。架设在地面上的线天线由于地面的影响较大，通常采用 水平平面和铅垂平面作主平面，即e 面和h 面。e 面是最大辐射方向和电场矢量 所在的平面，h 面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。位于自由空间的电基 本振子，其e 面是通过振子轴的子午平面( 西= 常数的平面) ，h 面是垂直于振子轴 的赤道平面( 0 = 9 0 。的平面) 。磁基本振子的e 面和h 面与电基本振子的刚好互 换。 方向图还可以用分贝表示，称为分贝方向图，这也是工程中最常用的一种方 向图表示方法。 p ( o ，4 ) ( c 1 8 ) = 1 01 9p ( o ，) = 2 01 9f ( o ，) ( 2 - 5 ) 方向图形状还可用方向图参数简单地定量表示。如果方向图只有一个主波束， 辐射功率的集中程度可用两个主平面内的波瓣宽度来表征。主瓣最大值两侧的两 个第一零辐射方向之间的夹角称为零功率波瓣宽度，记为2 0 0 e 和2 0 0 h ，下角标e 和h 分别表示e 面和h 面。主瓣最大值两侧，功率下降到最大值的一半( 或场强下 降到最大值的0 7 0 7 ) ，即分贝方向图函数下降3 d b 时，两个方向之间的夹角称为 半功率波束宽度，记为2 吼蛐和2 吼鲫( 如图2 2 和2 3 ) 。主平面除了主瓣外，通 第二章天线的基本理论及数值算法 图2 2 极坐标方向图参数 图2 3 直角坐标方向图参数 常还有副瓣和后瓣，表征其大小的是副瓣电平和前后比。所谓副瓣电平，一般是 指主瓣旁边第一个副瓣最大值( 通常是最大的副瓣最大值) 小于主瓣最大值的分 贝数，记为考。前后辐射比是主瓣最大值与后瓣最大值之比的分贝数，记为乞。 按照定义： 1 6移动通信中一种新型宽频基站单元研究 “拈) = l o l g s ( o , q b ) l 划- g 背 驭弘g 簧瑙g 倒 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中s ( o ，欢) 和e ( o ，哦) 对应副瓣最大值的功率密度和电场强度：& 和色对应 在主瓣最大值方向的反方向的功率通量密度和电场强度。 2 2 2 辐射功率和辐射电阻 对所激发的电磁场来讲，天线是场源，外供给场源的功率即天线的输入功率。 一般来说它是复功率。根据玻印廷定理，取包围天线所在体积y 的任意封闭面s ， 天线的输入功率 只= 日+ 尸 ( 2 - 8 ) 式中只是y 内的损耗功率，它是包含导体损耗和介质损耗的实功率，如果天线位 于无耗媒质中( 例如自由空间) ，它仅仅是天线的导体热损耗。尸称为天线的全辐 射功率 p z = 是+ 姥 ( 2 - 9 ) 式中乓是天线的辐射功率，是经过s 面流出的功率，即 是= 专r e 唾( e h ) d s ( 2 - 1 0 ) 醯是辐射的无功功率，它是经过s 面流出的虚功率与v 内电磁平均储能之和： 姥= l i m c j ：( e h ) d s + 2 ( 一形) ( 2 1 1 ) 辐射功率与线天线上电流的大小有关，不便于比较天线的性能。为此引入天 线的辐射阻抗概念。假设天线的全辐射功率被一个等效阻抗所“吸收”，该阻抗上 流过的电流为天线上某处的电流，称此等效阻抗为天线的辐射阻抗。如天线上某 处电流的振幅为，则辐射阻抗 z ：1 & + j q - z ：避+ ( 2 1 2 ) 二肝 式中如和鼍分别称为辐射电阻和辐射电抗。由式( 2 - 1 2 ) 可以看出，辐射阻抗 与所取的参考电流称为归算电流。如果归算电流为驻波天线上的波腹电流，称 此时的辐射阻抗为归算于波腹电流的辐射阻抗，如果归算电流为天线输入端电流 第二章天线的基本理论及数值算法 _ ，称此时的辐射阻抗为归舁于输入电流的辐射阻抗，前看用磊表不，后者用z 月 表示。而天线的辐射功率是不会依赖于所取的参考功率。可以采用波印廷矢量法 计算天线的实辐射功率( 后面简称辐射功率) 和辐射电阻，由式2 - 1 0 得，在半径 为，的封闭球面s 上， 哇2 壶& 靠e x 日一 ( 2 - 1 3 ) = 去r ”胛2 i n o d o d 妒 考虑到电基本振于天线4 = 6 0 乙r ，以及波阻抗5 1 2 0 z ， 是= 堕l 2 if28厂2(9，)sinodod妒17 t o , 1 0 - l l 归于波腹电流的辐射阻抗为 恐= 詈r ”j c r 九叫) s i n o d o d 咖 已知电基本振子的辐射场为 吲一6 。知z r l l l ! s i n 0 = 6 。，1 i - - - - - - j l 朋) 其中 得到天线的辐射功率 ( 2 1 4 ) 厂( p ) ：掣s i n a 将式2 - 1 6 、2 - 1 7 带入式2 - 1 5 得电基本振子的辐射功率和辐射电阻 哇= 4 时i 吓( 妻) 2 厶 、1 r x ：8 0 7 r ：( 喜) z ( 2 1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 2 2 3 输入阻抗 天线的输入阻抗是在其输入端呈现的阻抗。输入到天线的功率被输入阻抗所 吸收，并为天线转换成辐射功率。由电路理论，天线的输入阻抗： 孕翥巩帆 q 圳 l 是天线的输入电流；r 一是天线输入阻抗的实部，称为输入电阻，包括归算 与输入电流的损耗电阻心和天线的辐射电阻恐_ ，即凡= 如+ 咚一；以是天线输 入阻抗的虚部，称为输入电抗，即归算与输入电流的辐射电抗。输入电阻和输入 电抗的关系为 1 8移动通信中一种新型宽频基站单元研究 耻贵+ 嘉 2 务 协2 1 ) 砒雕一争s i n 2 吖争s i n 2 雕7 “n 2 吖 乙= 五瓦茜一j 亮万爵q - 2 2 ) 天线的输入阻抗决定于天线本身的结构、工作频率甚至还受用围环境的影响。 仅在极少数情况下才能严格地理论计算天线的输入阻抗，大多数情况是采用近似 计算法或由实验确定。常用的计算天线输入阻抗的方法有边值法，传输线法或玻 印廷矢量法。 2 2 4 天线方向系数、增益和效率 天线的方向系数是用一个数字定量地表示辐射电磁能量集束程度以描述方向 特性的一个参数，又叫做方向性系数或方向性增益，记为d ( o ，咖) 。 ，) ：焉；燮塑盟一一 (223d(o 2 3 ) ，) = 丽i 妄二旦坠一 ( 2 - 上上f v ，) s i n p 棚嘶 f ( o ，妒) 是归一化的场强函数，通常我们只关心最大辐射方向的方向系数。在 最大辐射方向上，f ( o ，咖) = 1 ，最大辐射方向上的方向系数： d ，r d ( o ，妒)