MIMO系统天线单元及阵列设计与研究_图文

1、北京邮电大学硕士学位论文MIMO系统天线单元及阵列设计与研究姓名：肖丽华申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：李莉20090215北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究系统天线单元及阵列设计与研究摘要多输入多输出（）系统是在发射端和接收端都采用多天线的系统。它可以在同一频带内，提供传输平行信息的几个无线信道，并大大地增加系统的容量。目前，天线问题是限制技术在蜂窝移动通信和应用的一个重要因素。随着技术的发展，对应用于系统天线的研究变得十分迫切，同时也具有理论意义和实用价值。本文系统而深入地概述了分集性能衡量指标，对空间分集、方向图分集、极化分集的应用场景进行深入探讨，进

2、而根据系统天线设计的要求和特点，结合当前典型的新型系统天线单元和天线阵列，详尽地分析了它们的设计思路，指出了天线的发展方向，提出了多天线的设计思想与技术途径。接着对极化分集天线进行研究，系统而完整地研究及设计了极化分集天线。仿真设计双极化天线、三重极化天线、垂直极化状态的方向图可重构天线，均表现出较好的性能。方向图可重构天线是天线设计的新思路。最后探讨三维空间散射环境中，信道模型下天线方向性对空间衰落相关性和信噪比的影响，仿真研究均匀圆阵、线阵、矩形阵的多输入多输出系统信道容量。首次综合性给出天线方向性对信道容量的影响，即当定向天线主瓣对准来波时，定向天线方向性引起的信噪比增加超过了其相关系数

3、对容量的负面影响，从而使信道容量整体优于全向天线。天线单元方向性越强，信道容量越大。对如何合理设计系统发射和接收端天线阵列来进一步取得系统的容量增益具有现实意义。关键词：天线设计极化分集天线双极化天线方向图可重构天线北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究小（）。，：，北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究，：北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列没计与研究独创性（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

4、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。申请学位论本人签名：处，本人承担一切相关责任。日期：坠：！苎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

5、用本授权书。非保密论文注释：本学位论文本人签名：导师签名：本授权书。日期：竺：至：尘日期：邋：三：竖北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设汁与研究第一章绪论随着用户数目和数据业务的不断增长，移动通信正在飞速发展，从年由贝尔公司首次研制的蜂窝移动通信系统问世以来，移动通信系统经历了第一代模拟频分系统，如、，目前广泛应用的第二代数字蜂窝系统，如、，到即将投入商用的第三代移动通信系统，以及正在开展广泛研究的第四代移动通信系统。提供的数据业务速率最高只能达到，而的最高数据传输速率将达到，可以提供高达的数据传输速率，支持从语音到多媒体，包括实时的多媒体业务，数据传输率可以根据这些业务的需要进行动态

6、调整。、要求在有限的频谱资源上实现高速率和大容量，这需要频谱效率极高的技术。但目前无线信道存在的多径衰落、频谱拥挤、噪声干扰等问题大大影响了数据率的提高，一些传统的技术方案将不能满足用户日益增长的需求，因此必须寻求新的技术手段，技术就是其中之一。多输入多输出（）技术是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，将多径效应作为一个有利因素加以利用，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量（误比特率或数据速率）。技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。在技术中，发射与接收多天线系统是无线系统的重要

7、组成部分，当前系统的研究中，涉及到天线模块时一般采用理想模型的方式，以减小系统的复杂度，很少涉及天线阵列单元的种类、形式，布局以及随之而来的天线相关性对容量的影响。随着系统的商用化，探索阵列的小型化也越来越紧迫。因此研究天线与系统性能的关系及天线设计意义深远。原理简析系统发展到今天有个从、到系统的演变过程。系统：即单输入和单输（）系统，即发射端和接收端各使用一根天线，提出了其容量计算公式，公式中的容量是有噪信道中进行可靠通信的上限速率。以后的电信工作者无论使用怎样的调制方案和信道北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究编码方法都只能接近而无法超过它。人们想到从提高频谱的使用效率入手

8、，提高效率的方法有分集技术，发展了，系统。：即单输入多输出（），即发射端使用单根天线，接收端使用多根天线，这种分集通常称为接收分集，采用最佳比合并的接收分集技术通常能改善接收端的，从而提高信道的容量和频谱的使用效率。：即多输入单输，（）系统，即发射端使用多根天线，接收端使用单根天线，这种分集通常称为发射分集，若发射端不知道信道状态信息，无法在多发射天线中采用波束形成技术和自适应分配发射功率，则信道容量提高不是很多。：和技术的发展自然演变成技术，如图所示。即在无线链路的两端都使用多根天线，】和分别证明了系统与和系统相比，可以取得巨大的信道容量。技术利用多径，只要各天线单元间距足够大，无线信道的多

9、径分量足够丰富，那么天线接收到的多径信号的衰落就趋于独立。对于一个具有蜥副发射天线和即。副接收天线的系统，其发射信号经过空时编码后形成个信息子流，以相同的频率经不同的天线同时发射出去，经过多径信道的传播，这些并行子流以不同的路径到达接收机，并由不同的天线接收，接收机利用空时解码对各接收信号进行处理，并恢复出原始数据流。由于这些子流同时发送，占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应相互独立，则可以创造多个并行空间信道。所以说，系统可以充分利用无线信道的多径传播，获取复用增益与分集增益，从而显著提高无线链路的容量与质量。唧信源，空时编码、彳彳弋鬈图系统模型北京邮电大学硕士学位论

10、文系统天线单元及阵列设计与研究研究内容当前多天线系统的主要研究内容有：空时编码（）方案的研究，如空间分集（）、空间多路（）【卅、波束成型（）、预编码（），复合技术【羽，无线传播信道的测量与建模，分集技术与多天线设计与布局，互耦分析，信道相关性估计，信号检测算法。技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理，它有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。开发误码性能与复杂度折衷的传输方案可获取系统的实际增益。系统中的多天线能够同时提供分集增益与复用增益，使该技术其具有无比优越的速率。空间分集指分集最大化方案，即在多条独立路径

11、上传输相同的数据，接收端通过分集合并技术，提高传输的可靠性，降低误码率。典型的方案有即空时格形码（），即空时分组码（），其原理是利用系统的多天线实现天线分集。天线分集可以对抗信道衰落，提高无线链路的可靠性，并且联合应用多维天线分集与时间分集，可以获得更好的分集效果。系统结合天线分集与时间分集，还可同时获得空间与时间维的分集效益，即通过空时编码而增加传输的空时冗余信息，从而提高无线传输的稳健性。空间复用指数据率最大化方案，即在多条独立路径上传输不同的数据流，从而提高总数据率，典型的是贝尔空时分层结构（）。无线信道的多径传播增加了系统可用的自由度，若各对收发天线路径的衰落独立，则空间矩阵信道创建了

12、多个并行的空间传输通道，利用并行通道传输独立的信息流，从而提高系统的数据率。然而，纯粹的天线分集与纯粹的复用方案并非最优方案，因为系统本身的自由度在给定天线配置下是有限的，二者之一都只解决了问题的一个方面，比如，获取更高的分集增益是以牺牲更大的复用增益为代价的，反之亦然。由于二者的折衷方案可以同时获得分集与复用增益，可能是最好的选择，即传输误码率与速率的折衷方案。技术的应用技术最早是由于年提出，上世纪年代有入提出将北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究其用于通信系统，但奠基工作是年代由实验室的学者完成的。年推导了衰落情况下的系统容量；年给出了一种多入多出处理算法对角贝尔实验室分层

13、空时（。）算法；年等讨论了用于多入多出的空时编码弘】；年等人采用垂直一贝尔实验室分层空时（）算法建立了一个实验系统，在室内试验中达到了以上的频谱利用率；年月，朗讯公司贝尔实验室研制出世界上第一颗芯片，这一芯片支持最高的天线布局，可处理的最高数据速率达到。年月，推出了芯片组，称其是世界上第一款集成了多入多出（）技术的批量上市产品。当前，未来移动宽带通信和无线接入融合系统是热门的研究课题，而系统是人们研究较多的方向之一，并广泛应用于各种移动通信系统中。今天，先进的（、和）应用普遍采用技术。标准已经采用空时发射分集（，）及闭环发射分集方式（）作为系统中的发射分集方案，而标准采用空时扩频（，）和正交发

14、射分集（，）作为系统中的发射分集方案【。标准增强型采用了分层空时结构来实现高速数据传输，同时也采用空时发射分集来提高传输可靠性。在演进中，为支持更高的传输速率，也将采用技术。究竟采用哪一种技术目前还没有确定，空间复用（）、预编码（）、发射分集（）等都在考虑范围之内。另外，技术的应用也会在上下行信道之间、控制信道与业务信道之间、广播多播业务与单播业务之间存在差异。同时，在吸收设计思想的系统中处于重要位置，与的双工技术和基于的多址接入技术并称为三项关键技术。另一方面在系列中也得到了应用。从技术上说，如果说采用技术将从时域扩展到频域，利用时频二维传输提高了性能，那么下一个突破就是将传输再扩展到空间域

15、，利用空、时、频三维来进一步提高性能，自然需要来增强性能，而同时也提供了技术应用的空间。而中的许多技术都需要在收发端均配置多天线，这对于体积严格受限的手机来说是困难的，但对于主要供计算机使用且很少在移动状态下使用的是较容易的。且的工作频段比手机高，相同条件下多天线之间的相关性也比手机小。从信息论的角度，所处的多径散射十分丰富的室内环境，正提供了所要求的多个独立信道。北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究在高吞吐量中，采用了分层空时结构和空时编码两种技术，最多支持发射接收天线，物理层最高速率。目前标准的制定己取得重大进展，支持该标准草案的芯片也已问世。在技术的商用化方面处于领先地位

16、。当前技术在局域网上的应用已经如火如荼，迫切需要天线设计的进一步发展，而在笔记本电脑上较大的空间实现优良的天线设计都是可行的。作为解决最后一公里的最佳接入方式的无线宽带接入技术，必须采用多天线技术来提高自身的竞争力。目前已经成为了中多天线的一个选项，并且在中也得到了体现。协议支持的模式分为种：空时发射分集模式、空间复用模式和分集与复用相结合模式。无线网络通信正在不断发生着变化。所有新的空中接（、下一代等等）都共享着技术。技术的广泛应用迫切要求其各项技术的成熟。天线研究背景及现状虽然技术广泛应用于，（），等通信系统中，但迄今为止，其在蜂窝移动通信系统中还很少进行商业实现，在中的应用也受到一些因素

17、的限制，在无线局域网中网络仍未大规模覆盖。一个重要的因素就是天线问题以及由此带来的相应的射频单元引起的造价的提高。一方面由于受到接收机或发射机尺寸及结构的限制，往往要在有限的空间尽可能多地布置天线单元。这给天线单元和天线阵列设计带来不小的挑战。天线单元的设计、阵列单元的数目、阵列结构、阵列放置的方式等因素直接影响信道的空间相关性【。如何在有限的空间使阵列中各天线单元具有较小的相关性，使信道响应矩阵接近满秩，并取得系统最大容量，迫切需要有效方法解决。结合具体应用，实际设计天线仍然面临一些问题，如天线耦合、极化隔离、共形、机体对天线性能的影响等。当前基站端天线设计已有多种解决方案，移动台端天线设计

18、依然是技术发展及应用的瓶颈，甚至可以说天线的发展制约及决定着未来无线通信发展。另一方面在收发两端采用多天线技术，必然在收发端增加较多的射频处理单元，射频模块的造价普遍相对昂贵，不利于技术的商用化。由于路由及网卡价格相对较高，同时用户对高速率的需求不旺盛，市场萧条，北京邮电丈学硕十学位论文系统天线单元及阵列设计与研究使得部分芯片厂商甚至打算在部分产品中暂且不引入多天线技术以降低价格。可见随着技术的发展，对适用于系统的天线的研究变得十分迫切及重要，同时也具有理论意义和实用价值。在多天线的设计过程中，应当综合考虑天线的体积、效率和多天线间信号的空域相关性等各方面因素。目前，对可用于系统的天线的研究却

19、并不多见。论文的结构安排本论文的目标是：总结出通信系统与天线相关的性能衡量指标；归纳国内外典型及新型的天线设计方案，为天线设计提供思路；对极化分集进行仿真及研究；探索天线方向性及阵列形式对系统信道相关性及容量的影响。基于此，论文分为六章：第一章简介原理、研究内容、技术的应用情况及系统天线研究背景及状况，指出天线的发展制约及决定着未来无线通信的发展，让读者对系统及天线设计有初步介绍，对后续工作有清晰整体的了解。第二章总结系统分集性能衡量指标，即分集增益、空间相关性、分支功率比、容量，对空间分集、极化分集、方向图分集三种分集方式应用场景进行归纳，该工作为下一步天线设计提供理论基础。第三章给出系统天

20、线设计要求和特点，总结及归纳当前典型的新型系统天线单元和天线阵列，简介了分形天线、电磁带隙基片天线、多频段天线等天线单元，多端口天线阵、多模天线、开关寄生天线阵、袖珍立方布局天线阵等天线阵列，详尽地分析了它们的设计思路，指出了天线的发展方向，提出了多天线的设计思想与技术途径。第四章对极化分集天线设计进行研究仿真，探讨了极化的机理及定义，系统全面地研究了极化分集天线，仿真研究双极化天线阵，三重极化天线阵，垂直极化方向图可重构天线，均取得较好的性能。第五章最后探讨了空间分集下阵列形式及单元方向图对系统容量的影响。探讨三维空间散射环境中，信道模型下天线方向性对空间衰落相关性和信噪比的影响，仿真研究均

21、匀圆阵、线阵、矩形阵的多输入多输出系统信道容量首次综合性给出天线方向性对信道容量的影响，得出了一些关键及有意义的结论。第六章对全文进行总结，并对未来的工作提出意见和建议。北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究第二章分集性能衡量指标技术的成功取决于分集与复用，天线多采用分集技术来提高系统性能，了解分集性能衡量指标，对天线设计作出指导是具有重要意义的。本章首先介绍分集理论，包括常见的空间分集、方向图分集、极化分集，进而给出分集衡量指标：分集增益、相关系数、分支功率比和平均有效增益、容量计算，用以衡量实际的天线在系统中的性能优劣。最后对三种分集方式应用场景及相互间的关系进行探讨，以便根

22、据不同的环境来采用不同的分集方式，或者多种分集方式的联合。分集理论蜂窝移动通信中，基站和移动台经常彼此不在视距内，而且移动台在复杂的传播环境中运动，结果使得基站和移动台之间的通信经常出现多径衰落现象，衰落现象对接收电平有很大的影响。如果系统设计基于最小接收电平，则设备的负担过大，导致系统成本太高。天线分集接收技术可以有效缓解移动通信系统的多径衰落，从而提高通信可靠性，改善系统性能而不需增大发射机功率或信道带宽。分集接收的基本概念是对于一个随机过程进行两个或多个抽样，且这些抽样是独立的衰落。所有抽样同时小于一个定值的概率远小于个别抽样小于该值的概率。实际上，所有刀个抽样同时小于给定值的概率是，其

23、中是单个抽样小于该定值的概率。因此分集是接收机接收到发射信号的两个或多个形式，其中每种形式通过不同的信道接收，如图所示。在每个信道中的衰落是独立无关的，因此在所有信道同时出现深度衰落的概率大大降低了。图分集信道模型由上图可知分集即通过若干个信道接收承载相同信息的多个副本，由于这些信京邮电大学硕±学位论文统线单阵列研究道的传输特性不同，这些信号副本的衰落也不相同当其衰落独立（或至少是高度不相关）时，接收机就能有效的合并这多个副本包含的信息，硪小衰落信号电平的起伏程度，从而比较正确地恢复出原始信号。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，如图维联合应用，或某一维占优。，

24、它们分属于天线分集中的空间、角度与极化维，实际中难以独立应用各维，而是多厨空间分集方向图分集极化分集空间分集：最常用的分集形式，即用两副类似的天线在相隔若干个波长的不同位置上接收同一信号的一种分集形式，天线单元间距要求大于相干距离，此时每个天线接收到的信号可以认为是不相关或低相关的。采用空间分集的接收机拥有很多相似的天线（例如共极化天线），每根天线为无线通信提供了一个分离的无线信道。一个纯粹的空间分集设计中，每根天线的方向图和极化方式都是相同的。方向图分集：又称角度分集，由于地形地貌等传播环境的影响，从不同方向远离发端或抵达接收端的多径信号不是完全相关的，采用方向性波束在不同角度发射或接收，也

25、能获得分集效果，如可在基站端采用开关波束智能天线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，从而对应每个方向图产生一个不同的信道。角度分集虽然可以克服空间分集安装空间太的缺点，但当来波角谱扩展较小时，容易造成来波方向位于其中某副天线的旁瓣，引起很大的接收功率差。这些理论与正交方向图能降低空间相关性是一脉相承的。极化分集：采用两副或几副天线来构成子信道的一种天线分集接收系统，这种分集方案通过使用两根或者更多按不同方式极化的天线在接收端提供独立的信道。极化分集的最大优点是多天线的总体积小，尤其适合体积受限的终端多天线设计。它利用了正交极化间信号的低相关性，将极化分集的

26、多天线放置在同一个位置，故达到紧凑效果。而正交极化间信号的低相关性是由于不同的极化方向的电磁波在受北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究到阻挡而发生反射、折射或绕射时，一般遵循不同的规律，故经过传输中的多次阻挡作用后，正交分量间的衰落相关性将变得很小，这就是正交极化分量去相关的机理。对于无线信道这种极化扭转的性质，可以用交叉极化鉴别度（）来衡量。总之，天线方向图的加权接收是各种分集的统一描述，当入射波的角谱概率分布一定时，天线输出信号的相关性从物理上可理解为天线对不同入射角的电磁场进行了加权叠加的差异程度，若不同入射角的来波问是独立无关，则各天线输出信号间的相关性完全取决于天线的

27、相位中心距离和各自的方向图。分集性能衡量指标分集的性能衡量指标有：分集增益、相关性、分支功率比、容量、极化失配，最主要的衡量指标为各分支支路的相关系数以及分支功率比【】。分集增益分集增益指在无相关性的情况下，使用分集和无分集的系统分别达到相同目标误码率门限的信干比之间的差异，通常用表示。另一种定义是与参考信号做比较。还可定义为联合信号和最强的分支信号间的差别。假定多径环境中为瑞利衰落，则瑞利信道的累积分布函数（）为：（厂以）（厂以）：五、式（）其中是平均的信噪比，是瞬时的信噪比，（以）是瞬时信噪比小于给定门限以的概率。由此扩展到若有路接收信号，每路接收信号均低于给定门限只的概率为：砘砒卜）当瞬

28、时信噪比较低时，若，“，则上式可简化为：式（）砒（争）式（）北京邮电大学硕士学位论文吣系统天线单元及阵列设计与研究利用上述式子可计算出分集增益。分集增益是包络相关性和功率不平衡的函数，为达到最大增益，则相关系数应该小于，平均分支功率比应接近。要使平均分支功率比接近，则要求足够多的散射体数目以便去极化。一般说来如果发射端是水平极化，接收端使用水平和垂直极化分集系统时，水平极化接收的电平应该大一些。移动基站系统相对于便携系统有更多的分集增益，因为有更大的天线增益和增加的发射功率。如果从接收端分集合并所处的位置看，合并可以在检测以前的射频和中频上进行，也可以在检测以后即基带上进行合并。联合信号的方法

29、有：选择合并，最大比合并，等增益合并，开关合并【】。最常用的是选择和最大比合并。从分集增益角度看，研究表明最大比合并优于等增益合并，等增益合并优于选择式合并。等增益合并性能与最大比合并性能相比小，但比较简便。相关系数相关性是指对的预测能力，如果预测能力大，则相关性高。因为若衰落了，由于相关性高，则衰落的可能性也很大。下图显示的是分集系统中的两路信号。要求两路信号的相关性比较低。有研究表明，当达波方向与天线阵列间的连线垂直时相关性最小。一州帅甲滞彬一图分集系统示意图相关系数分为复相关系数和包络相关系数【。复相关系数则运用了接收信号的幅度和相位。时域中复相关系数定义为【】：（）一百）（吃（）一瓦）

30、出北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究其中，分别为天线、天线的接收信号。在角域中复相关系数定义为【】：砘：盟壁塑型堕掣掣壁塑燮堕竺式协，、听噶这里。胆尺（以伊）岛（只缈）（以矽）岛（幺矽）（式（）其中（，），（，伊）分别为电场矢量方向图的口，伊分量，岛（移，缈），岛（口，缈）为入射功率谱角密度函数的皖伊分量。为交叉极化识别，是时间平均的垂直极化功率与时间平均的水平极化功率的比值。：导晶式（）一。从式（）可见，当两方向图正交时则相关系数最小。故可寻求方向图正交的两个或者多个天线。包络相关系数则是两个信号包络问的相关性，不考虑相位】：见式（）其中墨，是分剔为天线、天线接收信号包络。

31、复相关系数与包络相关系数的关系为【】：以：的分集增益下降可通过以下因子计算】：式（）为使分集系统取得分集增益，要求相关系数应该小于，由于包络相关性引起，分集增益图。式（一）通过在分集增益原有概率密度分布函数下除以该值，可计算不同包络相关性下分支功率比和平均有效增益分支功率比为不同支路间的功率比。对于两路信号而言为：北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究：垒雠对多支路而言，用表示时：。口应该大于以避免大的分集增益损耗。为使分集系统能取得分集增益，则应至少大于。对两支路而言，由式（）分支功率比与分集增益关系：竹叫：妻（吾）平均有效增益（）定义为同一随机路径上天线平均接收功率与同一路径

32、上天线的总平均入射功率的比值。考虑了入射到天线上的功率的平均角度分布。是天线在移动环境中的平均天线增益，是考虑无线散射环境中入射无线电波和天线增益方向图后的移动终端天线的平均性能。决定天线在多径环境中的有效性。计算公式为【：箝（箍卯纠卯志呻卅卯砂枷删眇式（）其中（矽，妒），（幺伊）分别为天线功率增益方向图的只矿分量，岛（秒，伊），岛（见缈）为入射功率谱角密度函数的口，妒分量。与的关系为：七：墼，墼脚施从系统的角度看，分支功率比越趋近于，越有利于分集性能的发挥。容量计算假设系统收发两端天线数目为，信道为准静态平坦衰落信道，接收端已知信道信息，发射端未知。发射信号总功率，与发射天线数无关。发射端采

33、用等功率发射，则系统的信道容量可表示为【】北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究（，扣）埘，善为接收端平均信噪比，（，），为信道矩阵，根据模型将信道矩阵日分解，且只考虑接收衰落相关有：冗，“呱式（）式中冗，为×接收相关矩阵，为×发射相关矩阵，的元素是均值为，方差为的独立复高斯随机变量。分集接收模型的建立及准确性分集接收模型的建立主要集中在基站端，移动台分集模型应涉及到天线方向图和极化特性【，同时要求模型具有准确性，有用性。由于移动终端应用有许多不同的场景，包括开关联合接收的使用、天线间低隔离、增益方向图冲突、传播环境里宽的角度扩展，均要求建立新的移动台端的理论

34、模型。当前模型主要考虑的因素是空间相关性，各分支功率比，但这两个因素对不同的分集方式的影响不同。对极化分集方式而言，交叉极化识别（）能严重影响各分支功率比，造成各分支功率比相差比较大，使得分集增益减小【。对空间分集方式而言，空间相关性对其影响比较大。三种分集方式应用空间分集应用空间分集是由于天线间距离足够远，使得多径分量间相位不一致，相位差距越大，信号越不相关。空间分集技术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。空间分集的缺点是需要较大的安装天线空间。较大的天线单元间距已成为限制分集支路数目的实际因素，当角度扩展很小时，分集的距离要达到，这为天线安装带来很大不便，使天线系统成本

35、增大，且各支路的平均接收功率差异变大，而小间距使天线单元间的相关性增高，它们均导致分集性能下降。当天线架设位置变高或者散射体减小，则信号不相关下的天线间距也将增大。如果接收端天线是垂直极化，最好发射端也是垂直极化。水平空间分集只在目标发射天线单纯垂直极化时具有优势。当接收机处于室内环境时，发射机使用水平极化北京邮电丈学硕士学位论文系统天线荸元及阵列设汁与研究的性能好于垂直极化。原因是室内环境，主要的反射是水平的。角度分集应用对角度分集而言，若每个天线的方向图不同，则信号包络的相关性将减小。这是因为虽然天线位置相同，但每个天线接收信号的幅度因其天线方向图及增益而存在差异。相距很近的具有全向方向图

36、的天线阵列，会因相互间的耦合而使天线方向图发生畸变。蜂窝无线和数字个人通信系统里的角度分集是通过开关波束天线实现的。虽然自适应天线相对而言更灵活，但开关波束天线相对更便宜和容易。在密集城市区域角度分集与传统空间分集同样有效，在保证可靠性水平下可以提供分集增益。极化分集应用极化分集其优势是不需要额外带宽，不需要天线间的物理距离，其分集增益取决于发射和接收间的散射体对信号去极化和去相关的能力，以便耦合一些能量到正交极化端口中。在散射环境较好的情况下两个正交极化可以提供不相关信号。极化分集的缺点是当发射一种极化方式的时候，共极化和交叉极化分支平均信号电平将有很明显的差别【。测量的移动台和基站端的水平

37、和垂直极化路径可以是高度不相关的。每种极化的去相关是源于移动台和基站间多次反射和散射。每种极化的复散射和反射系数是不同的，导致正交极化的幅度和相位经历了不同的变化。经过足够的随机散射，信号的极化独立于发射极化方式。去极化的程度取决于移动台和基站间的信号散射数量多少。电磁波的属性显示若极化方式与障碍物表面正交，则损耗远大于极化方式与障碍物表面平行的方式。在无线通信中主要的障碍是建筑物，很明显从水平极化接收的信号能量将比从垂直极化接收的能量少。这必然导致两种极化方式的功率不平衡。这个差别可以叫做交叉极化识别。当移动台和基站间有一个很明显的直视路线时，且具有很少的散射体来导致去极化时，交叉极化识别将

38、会出现。典型值是，在近郊该值比城区大，在户外环境该值比室内环境大。当存在视距环境时，增加更快，并且随距离增大而减小。在农村和高速公路上的情况研究比较少。虽然这些环境下相关系数一般仍小于，但使用极化分集天线时仍要注意考虑环境带来的交叉极化识别。北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵殉设计与研究极化在分集中的应用包括：垂直极化空间分集、水平极化空间分集、双极化或者多重极化分集。垂直极化或者水平极化空间分集要求收发两端天线均具有相同的极化方式，周围散射体去极化能力弱，以便到接收端时依然保持发射端天线的极化方式。而双极化或者多重极化则适合于去极化能力强的室内或者市区环境中。双极化分集接收种类包括度或

39、度交叉极化分集。双极化传输具有可比拟的分支功率电平，较小的交叉相关性，可实现很好的分集。在手机里天线的安装很可能是随意的，可能与垂直方向倾斜，使得发射功率接近垂直和水平极化等功率分配。这将有利于极化分集。在手机里两种双极化分集方式都经常使用。如果在这种情况下使用空间分集，则会由于天线的不垂直方位使分集性能下降。度交叉极化分集与度交叉极化分集方式相比，容易存在各分支功率不平衡，故可提供分集增益，度交叉极化分集方式则易受相关性的影响，但可提供分集增益。对于度交叉极化分集天线阵，除考虑到达角分布外，垂直和水平增益方囱图也应考虑来准确决定包络相关系数。三种分集方式关系从分集系统性能衡量指标来看，极化分

40、集对支路相关性不敏感，对不等功率支路敏感。空间分集对支路相关性敏感，对不等功率支路不敏感。方向图分集对两者均敏感。在一般情况下，极化分集，方向图分集性能都要差于空间分集。空间分集要优于度交叉极化分集，度交叉极化分集优于度交叉极化分集。当反射表面数目很小，一种极化平面占统治地位，使用空间分集能提供最好的性能。当路径有障碍时，极化可以极大地减小多径延迟扩展。极化分集适用于城市地区。在农村，极化分集性能较差。具体而言，双极化系统分集增益与空间分集方式相比小，但这个结果取决于环境和发射天线的倾斜角。在城镇度交叉极化分集增益要比水平垂直双极化大。在郊区，度交叉极化分集与空间分集分集增益问的差别可以忽略不

41、计。在城镇和农村水平垂直双极化分集系统的两分支电平有较大的差别，特别是当发射天线是垂直放置的时候。而度交叉极化分集系统两分支的电平很接近。对极化分集系统而言，一旦天线的数目超过了极化种类的数目，则单纯采用极化分集是不够的，还需要使用空间分集。对方向图分集也是如此。故当前更多的是采用空间分集、极化分集、方向图分集的联合。如果同时使用了极化分集和方向图北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究分集，可能极化分集引起的分集增益比方向图分集引起的增益要大得多。本章小结总之，信道以天线结构和传播环境为特征。天线结构是天线相关性效应的原因之一。天线相关性的减小可以通过增加天线间的距离和采用多种极

42、化方式实现。针对不同的传播环境可采取不同的分集方式，或者多种分集方式的结合，传播环境涉及到空间散射、空间玄相关、去极化。分集性能可用各项参数去衡量，当相关系数越小（至少以下），分支功率比越趋于，系统的分集增益才会越大，进而才能使容量越大，不同的分集方式对各个性能衡量指标的敏感度不一致。分集天线的设计要考虑到天线的应用场合。北京邮电大学硕士学位论文系统天线单元及阵列设计与研究第三章系统多天线设计思路天线作为无线通信系统中的接收和发射装置，其电气性能及阵列配置是影响系统性能的重要因素。目前，对技术的研究已进入一个相对成熟的阶段。但迄今为止，技术在蜂窝移动通信系统中还很少进行商业实现，在中的应用也受

43、到一些因素的限制。一个重要的因素就是天线问题。在系统中，天线数目和间距是影响系统参数的重要因素。基站端相对较大的空间可轻易满足系统要求的低空间相关性，但如何在手机等移动终端上放置两副或以上的天线则要对天线进行合理的设计。有两种思路，采用小型化天线，尽量减少天线尺寸，这依赖于天线单元的合理设计或者从天线阵列角度考虑，可将多副天线的功能集中到一副天线上，具有这种潜力的天线有多模式天线、多极化天线、多端口天线，也可从优化天线阵列的排列方式等多种角度来考虑。本章首先介绍系统天线设计的要求和特点，然后介绍当前典型的新型系统天线单元和天线系统，以便对天线设计有更深入的理解与应用。最后归纳出多天线的设计思想

44、与技术途径。系统天线设计的要求和特点结合第三章的分集系统性能衡量指标，系统对天线设计的基本要求可归纳如下【硎：）充分利用天线分集技术，保持达波信号的相对独立性，减小互耦，降低天线自身引入的相关性，或激发更多的独立传播路径，充分利用空间维度，空间分集结合角度分集与极化分集。）加宽天线单元波瓣，增大天线单元的波束宽度，以尽可能接收方位向的散射达波，或激发丰富的传播多径，有效利用空间资源。）保证天线单元的增益，改善系统的信噪比与抗干扰性能。）增大多天线单元间的隔离（极化隔离与端口隔离），降低天线自身引入的相关性。因此，系统对天线设计的基本要求可概括为低相关、多分集、宽波瓣、合理增益与高隔离。实际因素比如天线的阻抗匹配、单元方向图、极化特性、单元间距、阵列布局与单元间的互耦、成本、天线是否易加工、是否具有低轮廓、小体北京邮电丈学硕十学位论文系统天线单元及阵列设计与研究积、轻质量的特点都是要考虑的。天线单元研究符合要求的天线单元具有重要意义。通信设备的小型化以及使用需求要求天线也相应的小型化，在很多应用场合还要求共