天线的论文讲解

1、郑州大学新型天线的发展趋势与具体应用专业：通信工程学生姓名：朱浩指导教师：周晓萍完成时间：学号：20102460438天线作为无线电通讯的发射和接收设备，直接影响电波信号的质 量，因而，天线在无线电通讯中占有极其重要的地位。一个结构合理，性 能优良的天线系统可以最大限度地降低对整个无线系统的要求，从而可以 节约系统成本，同时可以提高整个无线系统的性能。现代的通信系统要求天线有高增益、高分辨率、圆极化、宽频带、 快速扫描和精确跟踪等性能。为适应现代通信设备的需求，天线的研发 主要朝几个方面进行，即小尺寸、宽带和多波段工作、智能方向图控 制。随着电子设备集成度的提高，通信设备的体积也越来越小，这就

2、需 要天线减小自身尺寸。在不影响天线的增益和效率的同时减小天线的 尺寸是一项艰巨的工作。电子设备集成度的提高 ，经常需要一个天线 在较宽的频率范围内支持两个或更多的无线服务 ，宽带和多波段天线 能满足这样的需要。未来天线的发展趋势将遵循以下几个方向。天线体积小型化天线小型化是在保证天线性能基本不变的条件下，减小天线的体 积。小型化是一个基础性技术，是天线永恒的发展方向。多种制式 网络共天馈应用未来多种制式共用一面超宽带天线，不仅天线工作频 段覆盖多个制式，而且可以根据系统的不同要求实现每一个制式的独 立调节。多制式天线的应用将节省建站成本和天面资源，灵活满足每种制式的网络覆盖要求。天线功能模式

3、向智能化功能方向发展未来 天线实现智能化的波束赋形、波束指向控制、波束分裂和远程控制，灵活满足各种场景的应用需求。通过天线的智能化实现系统间互操作 和资源的优化利用，最终实现智能化的运维方式。天线与射频模块 连接由分离式向集中式发展未来集中式的设备代替分离式的设备， 光 纤代替电缆，天线与主设备实现小型化和一体化并充分结合， 实现天 面资源的节约和灵活的部署方式，适应网络扁平化的发展趋势。在无线通信技术的发展中，智能天线已成为一个最活跃的领域， 近年内，几乎所有先进的无线通信系统都将采用此技术。智能天线技术对无线通信系统所带来的优势是目前任何技术难以替代的。智能天线技术已经成为无线通信中最具有

4、吸引力的技术之一智能天线原名自适应天线阵列(AAA, AdaptiveAntennaArray)。最初的智能天线技术主要用于雷达、 抗干扰通信、定位及军事通信方 面等，完成空间滤波和定位功能。近年来，随着移动通信的发展以及 对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深入， 智能天线开始用于具有复杂电波传播环境下的移动通信。为此，移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字智能天线(英文名为SmartAntenna或IntelligentAntenna)。智能天线系统在无线链路的发射端和/或接收端带有多根天线，为了利用移动无线信道的空间特征，智能天线系统中的信号

5、都进行了 自适应处理。根据信号处理是位于通信链路的发射端还是接收端，智能天线技术被定义为多入单出(MISO, MultiplelnputSingleOutput) 、单入多出(SIMO, Si ngle In put Multiple Output)和多入多出(MIMQMultiple In put Multiple Output)线网络的容量。充分利用空间维数可以增加无到目前为止，无线系统中的智能天线都被作为增强技术，在 它们的设计阶段都没有考虑复杂度和性能折衷的优化；而在下一代无 线系统中，智能天线技术将是系统设计固有的部分。目前对于智能天线的研究主要集中在下列几个方面：(1) 高级智能天

6、线处理算法的设计和开发，该算法对变化的传播 特性和网络条件具有适应性和健壮性。(2) 系统性能的优化策略和不同无线系统、平台之间的透明操作(3) 根据信道和干扰模型对提出的算法和策略进行实际性能的评 估，研究合适的性能度量和仿真方法。在如图1所示的一个多发射多接收天线系统中，发送的数据块需要进行编码和复星座图的映射。在空时加权后，每个符号被映射到一个 发射天线；信号通过无线信道后，在接收天线中首先进行解复用，然 后通过加权、解调、解码来恢复最初的发送数据。图1智能天线收发机结构比如SCDMA系统，SCDMA是同步码分多址的无线接入技术， 它采用了智能天线、软件无线电、以及自主开发的 SWAP+

7、空中接口 协议等先进技术，是一个全新的体系，一个全新的我国拥有完整自主 知识产权的第三代无线通信技术标准。由天线阵硬件和信号处理软件 组成，采用下行波束赋形，降低了发射功率，克服了多径干扰。上行 链路各终端信号在基站解调完全同步，码道之间正交，降低码道干扰， 提高了系统容量。全部基带信号的处理都是在 DSP中用软件实现。 另外，SCDMA系统还是第一个使用国际最新标准"全质量话音编码 技术"的实用化无线通信系统。物理层设计基于ITU的Q931建议，采 用闭环功率控制，解决了实现同步 CDMA和用户之间距离测定的要 求，仅使用一条接入码道。TEM喇叭阵列天线图1 TEM喇叭阵

8、列的几何结构我们研究的阵列天线如图1所示，由TEM喇叭天线构成。其最高工 作频率(h 忑世)单元天线之间的互耦比较小；而频率很低时(1 dx, dy)有意设计天线使互耦比较大，以提高天线低频特 性。当中心频率时，互耦对天线的影响如何使本届研究的问题。分析表 明：TEM喇叭阵列的近似频带限制为，最高工作频率受栅瓣条件制约， 低频受整个天线阵列的瓣波长尺寸限制。分析方法假设：整个阵列单元数很多，尺寸很大，使得天线阵列的边缘步 影响每个单元的辐射特性。也就是说，不考虑天线阵的边缘效应，对 每个单元天线来说，天线阵列都是无限大的。平面双锥阵列天线TEM喇叭的极限情况是 1乱 的平面双锥天线。图给出了平

9、面 双锥阵列天线几种形式。因为信号源是串联形式，所以平面双锥阵列 天线的工作频率可以非常低。实际上，天线阵的低端频率限制是整个 天线阵的尺寸是否大于半个波长。对大多数应用来说，平面双锥阵列天线并不是最优天线，因为它 是双向天线，在所有频率上在阵面两边有相同的辐射波束。 有趣的是， 当阵元的尺寸业 世天线阵具有自补结构，也就是说，以任何一个 馈电点旋转90o得到互补结构，导体代之于自由空间，自由空间代之 于导体。从而，任意一个馈电点的输入阻抗必然等于0/2 60而且与频率无关。这一点已经得到实验研究的确认。 研究平面双锥阵 列天线的重要性在于可以用它来评估非理想馈电结构对天线性能的 影响。图4给

10、出了两种馈电结构，图4b的结构更接近于理想馈电点源。*.14崛I tjT图4.馈电区域的精细结构两种馈电结构的输入阻抗Zin在图5中给出。其中频率f0的定义是图1所示格子尺寸严格等于其波长，即血世 °。当频率增加超过 f0时，出现八个可见的栅瓣，在每个半空间有四个可见的栅瓣，同时使输入阻抗Zin发生不连续变化。当频率增加超过2f0时，出现第二 组可见的栅瓣同时使输入阻抗 Zin发生不连续变化。尽管有栅瓣出现， 输入阻抗还是保持在预期的60 附近，进一步确认了自补天线的与 频率无关特性。如预料的那样，图4b的结构更接近于理想馈电点源， 给出近似的自补结构。当平面双锥阵列天线作为发射天线

11、同相馈电 时，直到频率为fO,在两个垂直阵面方向各辐射一半的功率，类似 地，当馈电点接的负载是6U时，作为接收天线每一边将接收正入射平面波一半的功率。图6给出了宽边正入射、负载为60 条件下, 接收功率、前向散射功率、后前向散射功率，在没有栅瓣的区域，接 收功率非常接近常数-£.2<J2«Jt 1 U 2 M 1 I#卜NCT ： * Fs；图5.平面双锥阵列天线的输入阻抗的频率特性。2，这是自补结构与频率无关特性的自然结论。然而，当频率增 加超过fO时，入射波在锥平板上感应的电流分布形式将变化，虽然总得宽边散射功率保持不变（50%，剩余50%勺功率进入栅瓣, 只有很

12、少功率被吸收。对于斜入射，在低频时接收功率几乎保持为常 数，当频率高于 代丄 门 如门（）出现栅瓣时吸收功率迅速降低 （参见图1,0是入射角）。这样一来，尽管平面双锥阵列天线输入阻抗与频率无关，但是，其工作频率上限受栅瓣频率fGL限制。在高于fGL频率上虽然输入阻抗基本上接近（）2,但是辐射功率不再进入主波瓣，而是进入栅瓣。图6中还给出了阵元不相连接的平 面双锥阵列天线的接收功率（参见图3c）。相邻天线单元之间的空气 缝隙是（），馈电点的结构如图4b。很明显，从计算结果看到阵元之 间互相连接对低频分量的辐射和接收都非常重要。hiQRkMI r nfc'图6.平面双锥阵列天线正入射时的接

13、收和散射功率TEM喇叭阵列天线的频率响应TEM喇叭天线可以看成是开路平行板传输线末端展开形成的。它是最常用的超宽带辐射和接收天线，但是，它作为阵列天线的单元天线 的性能尚不清楚。下面给出血 0，喇叭张角35 ,6（） , 120情况下天线阵列的有关数据。在低端频率张角对TEM喇叭天线的输入阻抗没有影响，它仅是单 元天线的函数。对于方形格子，当f fO,输入阻抗为 02。因此, 在计算天线阵列接收频率响应时，要在图4b所示的馈电点处接入 02 的负载阻抗。图7给出了平面双锥阵列天线和35 ,60 , 120的张角越小，耦合到负载上的入射功率越多。但是，频率响应的幅值越 不均匀，呈现随频率增加而振

14、荡的特性。在发射情况下，根据互逆原(Md xHIMDd QSBWff图7.平面双锥阵列天线和典的TEM喇叭阵列天线的正入射接收功率理+z方向的辐射功率等于单位1减去图7所示值的差。频率响应中 的峰值对应着喇叭长度等于半波长的整数倍的频率。 14. mj1ll & t414 S141 * sl"t¥!l *4?监 I 01Ql4 Q、 Qd ) f|fiiiMrawu urn fpfqikmcy i 即 in- 门yl芒 3IIUI0-ui6 -04*< Hive b, wa i i 17 > i d r « e/ ” i mhwmr rwQLr

15、iKY l <n 忙的(a)接收功率和(b)相位图7指出，在频率低于f0的范围内，可以用TEM喇叭单元天线改进天线阵的方向性。但是，频率上限还是受到栅瓣频率和入射角的 限制。对于超宽带发射机，这就意味着，必须选择阵列单元的间距使 得f0等于或大于发射机能产生的最高频率。如果这个条件不能满足， 那么大部分高于fGL的能量将不可能辐射到预定的方向上。图 8给出 了 60的TEM喇叭阵列天线在SU ® 入射情况下H面的 （a）接收功率和（b）相位。以中心负载为参考点，频率直到fGL相位差 不多是线性变化，意味着可以无失真地辐射或接收瞬态波形。4DO>1701pOr 卜11fl图

16、9.平面双锥阵列天线和HU2（）的TEM喇叭阵列天线的正入射的输入阻抗TEM喇叭阵列天线的输入阻抗一个孤立的TEM喇叭天线的输入阻抗可以用共形变换化方法得到。 在高频端它也是阵列单元的输入阻抗。 对于方形格子的阵列，在低频 端，0， _。60时输入阻抗为0*481120时输入阻抗为0.493在宽边方向，阵列单元的输入阻抗与平面双锥阵列天线（有同样单元尺寸）一样，为 02。然而，在中间频率，则必须用计算方法或者实验方法来确定阵列单元的输入阻抗。图 9给出了平面双锥阵列天线和 bU , 1ZU的TEM喇叭阵列天线的正入射的输入阻抗。图 9中输入阻 抗Zin波动和图7的接收功率波动类似。如所预料，输

17、入阻抗接近 02 时接收功率最大。JU 口 J * d-i- S * * L .> A * » - Jfi常S 弓 *邛1NORMAL IZED FRECl.«NC* (f J fa jPE6 -g?、.i丄“-丄.0 DK Oli ars 11 2&NORMAI I7f n FRFOUFNCV I f j1 fn )11ll'l20C® QF5 95 Qi 时 I12&hmMAi ufDrprcirNcv屮粘.面。60120,H面。（c）60,E面。側H面。图10给出了；加,h（J时TEM喇叭阵列天线的输入阻抗。120,E面。（b）

18、120, H面。（c）60, E面。.（d）60 , H面。注意到，当波束分别在E面和H面扫描时，低频端输 入阻抗为（L 5 Ocos （）或者（L 5 Osec （ （） ,0为扫描角。喇叭角越窄，扫描角越是受到限制，当波束偏离宽边方向时输入阻抗随频 率的波动越大。 从图10的每一个图中可以看到，计算的最高频率， 输入阻抗是相同的，仅仅依赖于张角，而与扫描角或扫描面无关。确 认了输入阻抗最高频率限制仅仅取决于单元喇叭的张角和尺寸的结 论。天线小型化也是新兴天线的发展趋势，天线小型化有两种实现方 式。第一种是通过优化天线设计方案，实现服务区外电平快速下降、 压低旁瓣和后瓣，降低交叉极化电平，采

19、用低损耗、无表面波寄生辐 射、低VSW的馈电网络等途径提高天线辐射效率，从而实现同等增 益下天线体积的缩小。这种方式天线的性能指标不变，但是限于技术 难度，体积下降程度有限，实现难度比较大而且成本较高。第二种实 现方式是通过降低天线的增益来实现体积的减小。这种方式的体积下降明显，增益每降3 dB体积就会缩小一半，比较容易实现，但是小 型化之后增益指标的下降会限制天线的应用范围。为保证天线小型化 后的性能满足不同场景的应用需求，未来天线小型化技术应在第一种 实现方式上发展。目前移动通信天线通过第一种方式实现一定程度的小型化，业内 也有小型化天线的应用案例，但限于各种因素，目前小型化天线的安 装仍

20、需要一定的天面资源，而且性能指标有待提高，工作频段较窄。 如果在网应用，需要多个小型化天线同时工作才能全频段覆盖，这就 失去了小型化的优势和意义。未来运营商应引导产业优势力量，推动天线后端设备充分一体化， 达到利用环境实现美化和隐身要求，实现天面资源的真正节约和灵活 的部署方式。在推动天线小型化的同时，实现天线工作频段的宽带化， 以利于减少天线数量和未来系统升级，充分体现小型化天线的优势。紧凑的双频共面波导馈入零阶谐振单极天线当谐振器采用零或负传播常数嵌入在一个单极天线，谐振腔的谐 振波长可以有无限的这是独立的谐振器的尺寸。 建议的开口环谐振器（SRR），表现出负磁导率在磁性共振频率3 。然而

21、，它是很难设 计的谐振环拓扑结构紧凑的零阶谐振（ZOR）天线。众多的复合右/ 左手传输线（CRLH-TL ）的结构，包括不同类型的并联反应元素， 如叉指电容器，间隙电容器，或平行板电容器，其紧凑的尺寸天线生 产单元-CRLH-TL 2 7 。图1。建议的共面波导馈入佐尔的单极天线的几何构型。（一）几何。（b）的单极概念的等效电路模型天线。（C）的CRLH-TL电池等效电路。（D）的等效电路 随着芯片电容加载共面波导馈入佐尔的单极天线。3.K2 (JHz3 f. lWft M4If屮”产图2。HFSS模拟的表面电流分布的佐尔模式0.6-pf电容器与单极天线。（一）1710兆赫。（b） 3820兆

22、赫。U SUHPCJdu 二Re(Z(u>)I2.0 3.0 4.0 5.0 6.0Frequency, (jI JzAnt. + 0.6 pFAnt0 60 120 180Antenna length, pd (deg)(b)iTieasurcd, ZOR am - 0.6 pl; ineasured,ZORanh+03 pFSimulatedZOR* 0.4pFmeasured,ZORant,SimulatedZORant.ZO3.0图3。（一）模拟的阻抗曲线。（b）CRLH TLS的色散图 对共面波导馈电的 ZOR天线结构。-30-40 L0Frcqucncv (GHz)图4。建议

23、的共面波导馈入佐尔的单极子天线测量Mcqs, E-cp,.17 10MI tMeas. E-X. Uhl iQpF, 17I0MU上Sim, &(xj ant+0a6pF. 1710MHz- Sim, E»X, ani+O.fipF. 71)MHzM灿轧 E-co.b aml+O.fipF, 3S2OMIIz Mea_ E-X, antW.ftpF, 3K2O MHz Sim E-oa.anrKJ.6pF, 382d MHzSim E-X antH).6pFa 3820 MHz-Meas. H-con iirit+0 6pFT 1710MHz M«s. H-Xant

24、+O.fipF. 1710 MHz-Sim. HsM+eftpF. 1710 MHz Sim. H-X, ant+0-6pFs 1710 MHz(b)iI-eo. iiintO_6pFp JS20 Mll2McMi H-X.in(-K1.6pF. 3S30MHzSim Hyo, ant+0.6pFh 3820 MHzSim. H-X, Mil+O.tpr', 3K2O MHz图5。测量和HFSS模拟共面波导馈入佐尔的辐射模式装载 0.6-pf片式电容器天线。（一）场 合作和交叉极化在1710兆赫的模式。（b）磁场有限和交叉极化模式在 1710兆赫。（C）场合 作和交叉极化模式在3820

25、兆赫。（d）磁场的合作和交叉极化模式在 3820兆赫。为了让天线能够在不同宽带和多个波段工作，多制式天线也是一 个重要的研究方向。多制式天线就是让不同通信系统共用一副天线， 以便有效地节约安装空间。多制式天线的实现主要是通过在天线内部 合理的放置辐射单元实现天线工作频段的宽带化， 以及通过信号合路 和分路实现不同频段信号的调节和控制，如图 1所示。高频辐射单元低频辐射单元圉1窑制式天线结构示意多制式天线超越了传统意义上的超宽带天线，实现不同制式的独 立调节。目前超宽带天线仅工作频段覆盖多个制式的网络，每个制式无法实现独立灵活的调节，这就无法在不同制式需要不同下倾角的场 景下应用，而且较为严重的

26、系统间干扰问题限制了超宽带天线的应用 推广。未来运营商在推动多制式天线技术发展和产品成熟的过程中，应 挖掘新型器件和新型材料的应用，以解决不同频段的信号合路和分路 问题；推动先进移相器技术在天线领域的应用， 以解决独立调节所需 的复杂移相器和控制难题；另外，推动解决多制式天线带来的不同系 统间的干扰问题。移动终端产品设计中，GSM、WCDMA、WLAN、GPSBlue Tooth、DVB-H、FM、USB、以太网、G3传真等多种通信制式常 常要求同时工作在一个狭小的移动终端空间内，如何让多种通信制式 同时工作、而又彼此互不干扰，是一个必须解决的问题。有源天线是为了优化某项或者多项系统性能参数而

27、将无线电波感应器或辐射器与有源射频电路结合为一体的天线设备。有源天线可分为叠加式有源天线和融合式有源天线。叠加式有源天线属于技术发展初期的产品形态，直接将射频模块与天线对接，通过叠加的方式实 现有源射频设备和天线的一体化连接，可以减少天线与有源设备之间 的馈线连接，降低天馈系统损耗，提咼网络覆盖场强，如图2所示。融合式有源天线属于技术成熟期的产品形态， 将射频处理单元独立地 与每个天线辐射单元融合一体，实现每个辐射单元的收发独立控制， 可以有效提咼网络覆盖质量。RRU册RF0IFTWF HITARF 醐 fPSAntmafT/ 22flVAC?48VCPRI图2叠加式有源天线和融合式有源天线结

28、构示意有源天线是未来网络发展的必然趋势。目前业内提出了有源天线 的概念，并针对自身的产品做了大量宣传。 但是有源天线还处于发展 初期，天线辐射单元和射频模块通过物理叠加或简单组合实现有源 化，工作频段相对较窄，无法实现有源天线的优越功能，而且天线有 源化后，受限于基带信号传输接口，天线与主设备之间无法互联互通， 不利于未来有源天线技术和产业的良性发展。在有源天线技术的发展过程中，运营商应根据网络发展和应用要求，推动天线辐射单元与射频模块的一体化融合，实现真正意义上的有源天线；推动天线及射频器件的宽带化，实现有源天线的多制 式灵活应用；更重要的一点是，推动基带信号传输接口的标准化，保 证有源天线与后端设备的