（无线电物理专业论文）mimo系统的移动终端单元天线设计.pdf

摘要 摘要 随着无线通信技术的快速发展，人们对无线通信的容量要求越来约高，频谱 资源的严重不足已经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。在多径环境下，无线m i m o ( m u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u t ) 系统采用空间复用和分集技术可以极大地提高 频谱利用率，在无需增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍地提升了通信系统 的容量与可靠性。m i m o 技术被认为是新一代无线通信技术的革命，受到了越来 越多的关注。m i m o 技术实质上是为系统提供空间复用增益和天线分集增益，空 间复用技术可以大大提高信道容量，而天线分集则可以提高信道的可靠性，降低 信道误码率。无论是空间复用还是天线分集，多天线的质量和多天线间信号传输 的多径效应是其基础，优异的多天线是m i m o 系统设计的关键技术之一。尤其在 移动终端，要求在有限的空间内的多天线之间的信号要具有低的相关性，所以设 计小型化天线的设计和设计满足各种分集技术要求的天线是本论文的重难点。 在本文中首先在对分集概念做了简单介绍的基础上对天线分集做了详细的说 明，并且根据各种天线分集的特点提出了多天线设计的基本要求。 然后详细介绍了微带天线的原理，归纳了微带天线的小型化技术和宽带化技 术，在此基础上设计了一款微带天线。在微带天线的设计中为了获得线极化，在 微带贴片的形状上选择了矩形微带天线，天线的交叉极化鉴别率达1 8 d b 以上；为 了缩小微带天线的体积，采用了短路片小型化技术使微带天线的体积缩小了一半； 为克服微带天线窄阻抗带宽的缺点，采用了多层多谐振宽带技术使天线的阻抗带 宽达到了设计要求；然后讨论了微带阵列天线间隔离度的问题。 最后在归纳了平面到f 天线的演变过程的基础上又设计了一款变异的平面倒 f 天线；为了适应现在通信多模的趋势，在设计平面倒f 天线时将i s m 的5 2 g h z 频段也考虑在内；在多天线的布阵方面，在充分利用倒f 天线与微带天线的极化 特点和详细讨论了，讨论了天线隔离度与空间位置的关系。 关键词：m i m o ，天线分集技术，微带天线，倒f 天线，小型化天线 a b s t r a c t w i t ht h ed 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 , t h ed e m a n d so fu s e r sf o rt h e c a p a c i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e c o m e sh i g h e ra n dh i g h e r b u tt h ef r e q u e n c y u s e a b l ei sl i m i t e d ，s oh o wt ou t i l i z et h el i m i t e df r e q u e n c ya n de n h a n c et h ee f f i c i e n c yo f t h ef r e q u e n c yb e c o m et h eh o tt o p i co ft h em o b i l ec o m m m f i c a t i o n ac r e a t i v e t e c h n o l o g yh a sp r o v i d e dan o v e ls o l u t i o nt od e a l 、析mt h i sp r o b l e m , w h i c hn a m e s m u l t i p l e - i n p u t a n d m u l t i p l e - o u t p u t 0 v i i m o ) w i r e l e s ss y s t e m s ，c h a r a c t e r i z e db y m u l t i p l ea n t e n n ae l e m e n t sa tt h et r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r , c a ni n c r e a s e dc a p a c i t ya n d r e l i a b i l i t yi nr i c hm u l t i p a t he n v i r o n m e n t s s u c hs y s t e m so p e r a t eb ye x p l o i t i n gt h e s p a t i a lp r o p e r t i e so ft h em u l t i p a t hc h a n n e l ，t h e r e b yo f f e r i n gan e wd i m e n s i o nw h i c hc a l l b eu s e dt oe n a b l ee n h a n c e dc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c e w h i l ec o d i n ga n ds i g n a l p r o c e s s i n ga r ek e yd e m e n t st os u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no fam i m es y s t e m ，t h e p r o p a g a t i o nc h a n n e la n da n t e n n ad e s i g nr e p r e s e n tm a j o rp a r a m e t e r st h a tu l t i m a t e l y i m p a c ts y s t e mp e r f o r m a n c e s od e s i g nh i g he f f i c i e n c ya n t e n n aa n dl o wr e l a t i o na n t e n n a a r r a yi si m p o r t a n tf o rm i m os y s t e m f i r s t l y , ai n t r o d u c t i o no ft h ed i v e r s i t yi sm a d e ，t h e nae x p l a i na b o u tt h ea n t e n n a d i v e r s i t ya n dt h ed e m a n df o rt h ea n t e n n ad e s i g na l ea l lp r o v i d e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h ev a r i o u st h e o r e t i c a lm e t h o d sf o rt h ea n a l y s i so ft h em i c r o s t r i pa n t e n n a a l eb r i e f l yd e s c r i b e d a n dt h ec a v i t ym o d e lo ft h er e c t a n g u l a rm i c r o s t r i pa n t e n n ai s r e v i e w e dd e t a i l y t h e nt h et e c h n i q u e sf o rb r o a d b a n d i n ga n dc o m p a c t i n go fm i c r o s r t i p a n t e n n a sa r ea l s od i s c u s s e d a tl a s tac o m p a c ta n db r o a d b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n aa n da l l i g hi s o l a t i o na r r a ya r ed e v i s e d l a s t l y , t om a k et h eb e s tu s eo ft h el o wp r o f i l ea t t r i b u t eo ft h ed e s i g n e dm i e r o s t r i p a n e n n aap r i n t e di n v e r tfa n t e n n ai sd e s i g n , o p e r a t i n gf r e q u e n c yi s2 4 - , , 2 5 g h za n d 5 2 巧4 g h z a n da2 da r r a y 丽也h i g hi s o l a l i o n c o n s t i t u t e db yt w op i f aa n da m i c r o s t r i pa n t e n n a , i sc o n t r i v e d k e y w o r d ：m i m e ，a n t e n n ad i v e r s i t y , m i e r o s t r i pa n t e n n a , i n v e r tfa n t e n n a , c o m p a c t a n t e n n a 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 骈一 签名：聋聋亟比 日期：咿年：；月习阳 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第一章引言 第一章引言帚一早jli 随着无线通信的迅猛发展，语音业务已经不能够满足人们的要求，提供网页 浏览、多媒体数据传输以及其他类型的数据业务已成为了人们利用无线通信的主 要目的，人们对高速数据传输的需求更加迫切，然而可用频谱资源的严重不足已 经日益成为遏制无线通信事业的瓶颈。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高 频谱利用率，是当前通信领域研究的热点课题之一多入多吐i ( m i m o ) 或多发多收 天线( m t m r a ) 技术是无线移动通信领域智能天线技术的重大突破，该技术能在不 增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代移动通信 系统采用的关键技术之一。 1 1 m 0 技术简介 任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线 阵列，就构成了一个无线m i m o 系统。无线m i m o 系统采用空时处理技术进行信 号处理，在多径环境下，无线m i m o 系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统 的数据传输率。相对于普通的s i s o ( s i n g l e i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统，m i m o 包括 s l m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i - o u t p u t ) 系统和m i s o ( m u l t i - i n p u ts i n g l e - o u t p u t ) 系统， m i m o 出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量和 提高通信效率。 在传统的无线通信理论中，多径效应会引起无线信号的衰落，被视为一种不 利因素。m i m o 技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素变成对 用户通信性能有利的增强因素。m i m o 技术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。在m i m o 系统中发送端与接收端同时采用 多天线系统，只要各天线单元间距足够大，无线信道的多径分量足够丰富，那么 各对发收天线间的多径衰落处于独立，即它们的信道趋于独立，进一步，这些同 频率同时问同信道特征码的子信道趋于相互正交。m i m o 系统框图如图卜l 所示： 传输信息流s ( 幼经过空时编码形成个信息子流c i ，i = l ，。这个信 息子流由个天线经相同的频率发射出去，经过多路径传播，这些并行子流以不 同的路径到达接收端由m 个接收天线接收，然后接受机利用空时编码对各接收信 电子科技人学硕十学位论文 厂 v 肚 喜可差 霍l 。雹 。 辱 一 l 寥 图1 - 1n 只发射m 只接收天线的m m o 系统 在m i m o 系统中收发天线之间形成m x n 信道矩阵h ，在某一时刻t ，信道矩 阵为： 日( f ) = j i i i ih 1 2 h 2 ih 2 2 h f i h | | i f 2 其中元素h 。是第f 个接收天线与第，个发射天线间的增益。对于信道矩阵参数是相 互独立的m i m o 信道，假设发送端不知道信道信息，总的发送功率平均分配到发 送天线上，则容量公式为【1 - 3 】： 归l 0 9 2 i d e t ( i m + 昙删h ) i o s i t s h z )( 1 - 2 ) 当发收天线的数目较多时，这时可以得到容量的近似表达式： c = m i n ( m ，忉l 0 9 2 0 + p ) ( b i t s h z ) ( 卜3 ) 上式中c 为仙农容量，p 是接收天线的信噪比，上标h 表示复共轭。 从式( 1 3 ) 可以看出，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说利 用m i m o 信道可以成倍地提高无线信道容量，即在不增加带宽和天线发送功率的 情况下频谱利用率可以成倍地提高。 m i m o 技术实质是为系统提供空间复用增益和天线分集增益。空间复用技术 可以大大提高信道容量，而天线分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率， 提升通信质量。 研究证明，m i m o 技术非常适用于城市内复杂无线信号传播环境下的无线宽 带通信系统使用，在室内传播环境下的频谱效率可以达到2 0 4 0 b i t s h z ；而使用传 ； 一 ； 第一章引言 统无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1 - 5 b i t s h z ，在点到点的固定微波系 统中也只有1 0 - 1 2 b i t s h z t 4 j 。m i m o 技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人 们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。 1 2mim o 系统中多天线的设计要求 发射与接收多天线系统是m i m o 无线系统的重要组成部分，其性能直接影响 m i m o 信道的性能。对于图1 1 所示的m i m o 系统，在信道传输矩阵的参数相互 独立的条件下系统容量与天线数量成线性关系，那么当参数不是完全相互独立时， 系统的容量将受到影响，即各天线单元接收的信号的独立程度( 相关系数) 将严重影 响m i m o 系统的性能i s 。各天线单元接收的信号的独立程度与信号载波的散射传 播特性和多天线特性密切相关。所以m i m o 无线系统的高性能除了依赖于多径传 播的丰富程度外，还依赖于多天线的合理设计，多天线的设计是m i m o 系统的重 难点之一。 如前面所述m i m o 技术本质是空间复用和天线分集的结合，空间复用和天线 分集要求信号要具有低的相关系数。信号的相关系数不仅与多径的丰富程度有关， 同时也要受多天线特性的影响。根据m i m o 技术的特点可以归纳多天线设计的基i 本要求如下： 1 要能充分利用多天线系统所处的空间、角度和极化等资源来降低多天线间 信号的相关性，所以需要根据m i m o 系统采用的分集技术来设计满足各 种分集要求的天线。 2 提高天线的增益，改善系统的信噪比和抗干扰的能力。 3 天线小型化。尤其是在移动终端的应用，低轮廓，轻重量，小体积是最基 本的要求。 4 天线的宽带化。天线小型化后往往要导致其阻抗带宽的降低，为了满足无 线通信频段的要求，在小型化的技术上需要将天线宽带化。 5 天线间要具有大的隔离度，以降低天线互偶引入信号的相关系数，在天线 的布阵中要充分考虑好天线的位置和状态，以满足高隔离度的要求。 1 3 m 0 天线的设计状况 就目前所收集的资料来看，对于m i m o 多天线的设计，国外很多研究人员对 。 3 电子科技入学硕十学位论文 此作出了大量的研究，也提出了不少成功的模型。近年国内学者对于m i m o 多天 线的设计进行了很多研究，发表了一批关于多天线设计的优秀毕业论文0 1 ，提出 了一些创意性的天线设计。 针对天线的宽频段技术，有人提出了一种宽带振子天线，该天线随着离馈电 点的距离的增加，振子的直径相应的加粗，即展开成结构渐变的螺旋的对称双锥 天线，使振子沿线各点的特性阻抗处处相等】。a g r a w a1 1 n p 和k u m a r g 提出了一 种b a l u n 结构的平面天线，该天线可以克服平面天线的带宽窄的缺点，具有良好的全 向性，具有与偶极子天线相同的方向图即在h 面方向为准全向方向图，实现驻波比 小于2 的相对带宽为4 0 的带宽内【i2 1 。针对于定向性天线单元，有人提出一种带 有b a l u n 结构的印刷偶极子天线，该种天线具有单向辐射特性，该天线的e 面和h 面半功率波瓣宽度分别为5 6 。和1 0 5 。也有人提出一种带有v 型地面反射结构的用 b a l u n 结构馈电的印刷偶极子天线，该天线比普通的印刷偶极子天线具有更宽的工 作频带和更强的方向性，其阻抗带宽超过了3 3 0 m h z ，增益提高约2 d b ，后向辐射 抑制比超过7 d b ，方向图在整个工作频带内也保持了很好的一致性 i 3 1 。 针对分集天线，有文献提出了一种移动台适用的平而型紧凑极化分集天线， 该天线由两个十字交叉的微带分支提供极化分集，每一分支都有单独馈电系统并 ，荔荔l - ，m r 丌j 量露 b m m 灞萎藿 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i ：戮i 盆 f b s h o r t d k ，f “ y_ 恭。弼。 图1 - 2 双叩刷倒f 大线 图i - 3四臂螺旋天线 在分支上蚀刻有一个细槽以提高两个端口的隔离度，通过电容加载大大缩短了分 支长度，天线1 0 d b 的相对带宽为5 ，端口的隔离度大于2 0 d b t l 4 】。 针对m i m o 天线，m k a r a b o i k i s 给出了一种双印刷倒f 天线应用到笔记本电 脑的m i m o 通信中结构如图1 2 所示【15 i 。w a l d s c h m i d t c 给出了一种新型的宽带四 臂盘旋天线，如图1 3 所示，通过不同的馈电可在同一付天线上激发四种模式，结 合了方向图和极化分集，可应用于m i m o 通信，但其半径达到o 6 7 k 。，只能应用 到在移动p c 等较大体积的终端中 】。有文献提出用四个印刷偶极子或印刷倒f 天线来实现m i m o 通信，但为增加隔离，地板达到了o 7 k d 木o 3 6 8 k r j 【1 7 】。s b y e a p 4 第一章引言 中提出了种付型于就介质上的折叠偶极子天线，如图1 4 所示，并用该天下进行 布阵应用与m i m o 系统，该天线应用频率为5 2 g h z ，其1 0 d b 带宽为2 5 0 m h z t l 8 】。 h o n m a , n 在文献中提出了一种由倒f 型天线与h 型天线以及相互垂直的两个槽天 图1 4 折叠偶极子 线组合在一起的低剖面的三端口天线，f 天线和h 天线为相互正交集化的天线， 为的端口的互耦小于1l d b ，该天线能运用于无线通信的移动终端【1 9 】，天线的结构 如图1 5 所示。md iz a z z o 提出了一种利用寄生天线进行排列的m i m o 天线整列， 应为寄生天线的引入，改善了天线接收的信号的多径特性，取得了提高信道容量 的作用。充分的考虑天线的方向图，信号的空间散射特性等因素，合理的布局各 天线单元【2 0 】。j o r g e nb a c ha n d e r s e n 提出了一种结合空问分集与计划分集的立方布 局天线，它把1 2 个电耦极子分别平行于立方体各棱边放置，如图1 - 6 所示，除了 利用三维的极化分集外，同极化的电耦极子还可以实现空间分集，这种将多种分 集方式结合起来的设计思路值得借鉴 2 l 】。 图1 5 天线结构 一扩 l 一一一囊r j 。- 、i 电子科技人学硕十学位论文 1 4 论文任务及章节安排 本文任务为应用于w l a n 的m i m o 系统移动终端多天线设计。在本文中设计 了一款小型宽带微带天线，然后讨论了微带阵列天线间的隔离度问题；为了体现 微带天线的低剖面的特点，设计了一款平面倒f 天线，提出了一种能充分利用极 化与空间分集的微带天线加倒f 天线的阵列，讨论了阵列天线间的隔离度问题。 本文的结构如下：本章简介了m i m o 技术的原理，m i m o 天线的设计现状以 及m i m o 系统对多天线的设计要求；第二章简介了m i m o 系统中的主要技术一天 线的分集技术；第三章首先简介了微带天线的原理和小型化技术与宽带化技术， 然后设计了一款工作于2 4 5 g h z 的小型宽带微带天线；第四章讨论微带天线阵列 隔离度问题；第五章设计了一款平面倒f 天线以及讨论了一种倒f 天线与微带天 线的多天线布阵间的隔离度问题。 6 第二章分集技术与m i m o 系统 第二章分集技术与m i m o 系统 分集技术是移动通信的一种抗衰落技术，是一种用相对较低廉的投资就可以 大幅度的改进无线链路性能的强有力的技术。分集技术通过查找和利用自然界无 线传播环境中相关系数较低的多径信号来实现。在信号载体( 电磁波) 的无线传播 过程中，因为反射、折射和衍射等在发射端和接收端会产生多条低相关的信道， 如果一条无线传播路径中经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中可能仍包 含着较强的信号，因此可以在多个信号中选择两个或更多的信号进行合并，这样 可以同时提高接收端的瞬时信噪比和平均信噪比，一般可提高2 0 d b 到3 0 d b 。分集 技术本质就是利用两个或更多的不相关信号进行处理。 2 1 分集技术简介 无线信道中，衰落是影响通信可靠性和有效性的最根本的因素。因为电磁波 传播环境的复杂性导致无线信道呈现出很强的随机时变性，这种随机性和时变性 大致可以分为四类：自由空间传播损耗与弥散，阴影衰落、多径衰落和多普勒影 响。在无线系统工程的角度，前两种属于大尺度效应，主要影响无线通信的距离 或者无线电波的覆盖范围，通过合理的天线布局等设计可以消除其不利影响；而 后两者属于小尺度效应，在数十个波长范围或极短时间内呈现快速剧烈的随机起 伏，从而严重影响信号的传输质量，并且不能通过简单地提高发射功率加以消除。 在本文中主要考虑多径效应。在信号载体( 电磁波) 的无线传播过程中，因为反射， 折射，衍射等，在发射端和接收端会产生多条信道，由于电波通过各个路径的距 离不同，因而各条路径中发射波的到达时间、相位都不相同。不同相位的多个信 号在接收端叠加，如果同相叠加则会使信号幅度增强，而反相叠加则会削弱信号 幅度，这样，接收信号的幅度将会发生急剧变化，就会产生多径衰落。 由上面的分析可知由于存在多径效应与时变性，无线衰落信道中的信号会受 到严重的衰减。这种衰减使得接收端可能不正确地判断发送信号，除非有其它的 衰减程度比较小的信号副本提供给接收机，这种方法就被称为分集。分集技术的 基本原理如下：接收来自多个信道( 时间、频率或者空间) 的承载同一信息的多个独 立的信号副本，由于各个信号不可能同时处于深衰落情况中，因此在任意给定的 7 电子科技人学硕+ 学位论文 时刻至少可以保证有一个强度足够大的信号副本提供给接收机使用，从而提高了 接收信号的信噪比。决定分集性能的重要因素是分集支路之间的相关性和分集支 路的数量。为获得良好的分集性能，通常要求该相关性系数低于0 7 。根据获得独 立路径信号的方法，分集技术可分为时间分集、频率分集和天线分集等。时间分 集通过采用时间交织与信道编码，在时间域内提供信号的副本；频率分集通过在 不同的载波频率上发送信号，在频率域内提供信号的副本；天线分集是利用多副 天线来实现的。由上可见时间分集和频率分集是在时间和频率上加入了信息冗余 来获得好的分集效果，而天线分集是在同一时间和频率上的不同天线上加入冗余， 天线分集技术是在不牺牲信号频率带宽和保证数据传输速率的同时获得分集增 益，因而得到了广泛的应用。天线分集主要包括空间分集、极化分集和角度分集， 它们分属于天线分集中的空间、极化与角度维，实际中难以独立应用各维，而是 多维联合应用或某一维占优。m i m o 系统的分集就是属于天线分集。 空间分集：采用多副相互间隔一定距离的同极化分集天线单元发射或接收，这 是一种较简便而被广泛采纳的分集方式。其分集性能与多幅天线所接受到的信号 的相关性和分集合并方式紧密相关。信号的相关性与接受天线所处的环境和天线 之间的距离密切相关，为获得等同相关性系数的信号时，在信号多径效应丰富的 环境所需要的天线的距离比信号多径效应贫乏的环境所需要的天线的距离小。如 基站端的多径角度扩展较低，用于基站端的空间分集天线单元的间距较大。通常 要求接收端天线之间的距离d2 九2 ( 九为工作波长) ，以保证接收天线输出信号的 衰落特性是相互独立的，也就是说，当某- n 接收天线的输出信号很低时，其他 接收天线的输出则不一定在这同一时刻也出现幅度低的现象，经相应的合并电路 从中选出信号幅度较大、信噪比最佳的一路，得到一个总的接收天线输出信号， 这样就降低了信道衰落的影响，改善了传输的可靠性。也因为空间分集对天线间 的距离的要求，空间分集技术主要是用于基站等对空间大小要求不是很苛刻的发 射端。而对于面积有限的移动终端布阵几个距离大的天线基本不可能，于是产生 了极化分集和角度分集的需求。 极化分集：电磁波由于传播媒质作用会发生极化扭转，不同极化方向上的多径 信号衰落仅是部分相关的，另外当信号的发射采用采用两个极化方向相互正交的 天线，那么两个极化正交方向上的信号将出现不相关的衰落特性，因此采用不同 极化而同址放置的分集单元发射或接收，可以获得分集增益，其分集性能可与空 间分集相当。极化分集与空间分集一样，都要求各天线接受的信号具有低的相关 性，但是极化分集又与空间分集又不一样，空间分集必须用增加天线间的距离来 第二章分集技术与m i m o 系统 降低信号的相关性，而极化分集是靠天线间的交叉极化特性来获得低相关性的信 号，不是靠空间距离的增加来获得，在采用极化分集技术的多天线系统中，极化 垂直的两个天线甚至可以位于同一个位置。所以采用极化分集可以节省多天线系 统的空间成本。因此，在无线通信系统中的移动终端往往都主要是考虑采用极化 分集。 角度分集：由于信号传输环境的复杂性，到达同一点的不同角度的信号的传 输路径各不相同，它们的相关性很低；又同一发射点从不同角度发射出的信号到 达同一点，它们经历的路径也不相同，它们之间的相关性也很低。所以在发射和 接受端分别采用不同方向性的天线，那么不同方向性天线所接收到的多径信号是 低相关的，可以获得分集增益。与空间分集相比，角度分集的多天线系统也不需 要很大的空间来获得低相关性的信号，所以角度分集在无线通信系统中的移动终 端也得到了充分的运用。 2 2m i m o 系统中多天线与分集技术 m i m o 技术本质就是天线分集和空间复用的结合。m i m o 系统通过空时编码 技术，产生多个信息流通过多天线发射接收，利用多天线信道间的统计独立性， 在空间上分离出多个独立的传输通道，从而达到提高系统容量的目的。空间的复 用提升了系统的容量，空间的分集提升系统的质量。在m i m o 系统中分集与普通 多天线的分集目的一样，但是也具有其不一样的地方。在m i m o 系统的分集与空 时编码技术结合，m i m o 传输方案是分集与复用的折衷。在m i m o 系统中，发射 与接受都是采用多天线，在移动终端设备中，因为其空间有限，要集成多采用空 间分集的多天线往往具有很大的难度，在有些终端甚至是不能实现。所以在m i m o 系统中往往主要采用极化分集、角度分集以及多种分集的综合技术。 2 3m i m 0 系统中多天线的选择 根据上面的简单分析可知，m i m o 系统中多天线的设计需要综合考虑极化分 集、空间分集以及多种分集的运用。尤其是在移动终端需要重点考虑极化分集以 及方向图分集的应用。为了实现极化分集的利用，设计的天线为具备一定交叉鉴 别率的线极化天线；为了实现空间分集的利用，要求天线的方向图可控；考虑到 移动终端空间的限制，要求天线的体积要小型化，低剖面等。 9 电子科技人学硕士学位论文 微带天线具有低剖面，可以小型化和方向图可控的特点，而矩形微带天线还 具有线极化的性质，所以在本文设计中主要选择微带天线。另外倒f 天线也具有 小型化，低剖面，线极化等特点，也是m i m o 多天线的所选天线类型之一，所以 在本文中也设计了一种能用于m i m o 系统的倒f 天线。 在天线阵列隔离度问题上，讨论了3 d 微带天线阵列的隔离度问题，讨论了微 带天线也倒f 天线组阵时，天线间的隔离度问题。 1 0 第三章小型宽带微带天线 第三章小型宽带微带天线 微带天线是在一块厚度远小于波长的介质基板的一面沉积或粘贴金属辐射 片，另一面贴以金属薄层作接地板。辐射片及接地板所用金属一般为良导体铜或 金。利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片和接地板之间激励起射频电磁 场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。辐射片可根据不同的要求设计 成各种形状。微带天线按其构造大致可以分为三种基本类型：微带贴片天线，辐 射贴片元的形状有矩形、圆形、多角形，环形，扇形等；微带天线阵；微带槽天 线。 3 1 微带天线的特点与应用 与普通微波天线相比，微带天线具有以下的特点【2 2 】： 1 剖面薄，体积小，重量轻； 2 具有平面结构，天线的散射截面小，可制作成与导弹、卫星、等飞行器载体表 面相共形的结构，是首选的共形天线； 3 馈电网络可与天线结构一起制作，适合于用印刷电路技术进行大批量生产； 4 介质板薄的微带天线能与有源器件和电路集成； 5 便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作： 6 设计不同的微带元，可以实现最大辐射方向从端射到边射的改变，是设计定向 性天线的首选类型，且天线的前后比大，后向辐射弱。 微带天线的结果决定了自身的优点的同时，也孕育了自身的缺点： 1 微带天线属于谐振天线，决定了它的阻抗带宽窄： 2 具有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低； 3 功率容量不大，主要用于小功率场合； 4 天线的性能受基片材料影响很大，对介质片材料的性能要求严格。 不过针对微带天线以上的缺点，到目前已经发展了不少弥补的技术。譬如， 已有多种途径来展宽微带天线的阻抗带宽，常规设计的微带天线的相对带宽约为 1 6 ，新一代设计的典型值为1 5 , - - 2 0 ，当然这常常需要以牺牲微带天线的其 它优点作代价；若利用带固态功率放大器的有源微带子阵来组阵，可以获得相当 电子科技人学硕士学位论文 大的总辐射功率等等【2 3 1 。 3 2 微带天线的工作原理 3 2 1 微带天线的辐射机理 微带天线的辐射可以由存在于微带贴片与接地板之间的电场来决定，也可以 用微带贴片的表面电流来分析，要准确的描述微带天线的场或者表面的电流是一 个很复杂的问题，在此我们借助了位于矩形微带天线贴片与接地板之间的电场来 简单说明一下微带天线的辐射机理。如图3 1 ) 所示，贴片的尺寸为，w ，介质片 的厚度为h ，h “厶，厶为自由空间波长。微带天线可以看成一个宽为w 长为，的 一段微带传输线元，其终端处呈现开路，形成电压波腹。通常取z 彳。2 ，丸为 波在微带线上的波长。于是另一端也将呈现电压波腹，贴片与接地板之间的电场 分布将大致如图3 1 ( 6 ) 所示【2 2 _ 3 _ 4 1 。 e 分布 图3 - 1 矩形微带天线磁流与电场分布 假设电场沿微带贴片的宽度方向和厚度方向没有变化，那么贴片与接地板之间 的电场可以近似的表达为 e ：= e oe o s ( n r )( 3 1 ) 电磁波的辐射由贴片四周与接地板之间的缝隙形成。根据等效原理，窄缝隙 上电场的辐射可由面磁流的辐射等效。等效的面磁流密度为 m ，= 一露x e( 3 - 2 ) 式中，e 为贴片与接地板之间的电场矢量，以是缝隙表面的外法线方向单位矢量。 这些等效磁流的方向已在图3 1 ( a ) d p 用虚线标出。由图可以发现，沿两条w 边的磁 1 2 第三章小型宽带微带天线 流是同向的，图其辐射场在贴片法线方向同相叠加，呈现最大值，而随偏离此方 向的角度的增加而减小，形成边射方向图。沿每边，边的磁流都由反对称的两部分 组成，它们在h 面上各处的辐射互相抵消；而两条，边的磁流由彼此呈反对称分布， 因而在e 面上它们的场也都相互抵消。在其他平面上这些磁流的辐射不完全对称， 但是与沿两条宽边的辐射相比，都相当的弱。即天线的辐射主要是由宽边的磁流 产生，这两个边叫辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射，对上 半空间而言，接地板的效应可以近似的等效于磁流旭加倍，且方向图基本不变。 由上面的分析可知，要求一个微带天线的辐射特性，我们需要求出辐射边的 磁流的大小以及非辐射边的磁流大小。 3 2 2 微带天线的分析方法 微带天线分析的基本问题就是求解天线在周围空间建立的电磁场，求出电磁 场后，然后求出天线的方向图、增益和输入阻抗等参数指标，其中的重点也是难 点就是求出天线周围的电磁场，在实际的求解过程中，我们往往只关心远场的分 布。对于求解微带天线周围的电磁场分布是个很复杂的问题，到目前为止，很多 理论模型被建立起来来分析微带天线的电磁场分布，这些理论模型主要包括传输 线模型、改进传输线模型、空腔模型以及全波分析模型等。其中传输线理论模型 主要用于矩形贴片，该模型将矩形微带贴片看成沿横边没有变化的传输线谐振器， 场沿纵边呈现驻波变化，辐射主要是由开路端处的边沿场产生，微带天线电磁场 的求解问题就转化为求边沿场等效的磁流的电磁场问题，在该模型中，只考虑了 辐射边产生的辐射，忽略了非辐射边产生的辐射，即没有考虑天线的极化纯度的 问题，计算的结果不很准确，且适用条件也很苛刻；空腔模型可用于各种规则贴 片，但基本限于天线的厚度远小于波长的情况，该理论将微带贴片与接地板之间 的空间看成一个周围为磁壁，上下为电壁的谐振腔，天线的辐射由周围磁壁上的 等效磁流决定，它与传输线模型相比，它不但给出了主极化分量，也计算了非辐 射边辐射所引起的交叉极化分量，因此它的计算结果比传输线模型准确，结果能 满足工程要求，是工程应用首选的分析方法，在本文中也主要选择此理论模型作 为定性的分析工具，下面也主要介绍空腔理论模型；传输线理论和空腔理论以牺 牲计算结果的准确性为代价来简化计算过程，更准确的全波理论建立在解麦克斯 韦方程的基础上，故是一种很精确的理论模型，但是其求解的过程比较麻烦。 微带天线是窄带谐振天线，它可以用一个有损耗的谐振腔。因此空腔理论模 1 3 电子科技大学硕十学位论文 型成为了一种分析微带天线的比较合理的理论模型。在该模型里将微带天线与接 地板之间的四周看成磁壁，上下为电壁的谐振腔，天线辐射场由空腔四周的等效 磁流得出，天线的输入阻抗可以根据空腔内场和馈源边界条件求出。该方法把天 线的分析分为两步：第一是求出天线的场源分布也就是天线的封闭磁面上的等效 磁流的分布，称为天线的内问题：第二就是根据第一步求得的场源结果来求天线 的外场，称为天线的外问题。 3 2 2 1 内场求解 为了更好的理解微带天线的辐射原理，下面我们以矩形微带天线为例，来分 析其求解的过程。选择微带天线与坐标关系如图3 - 2 ( a ) 所示。当h 厶，贴片与接 地板之间的电磁场可以作如下的假设：( 1 ) 内场不随z 坐标变化；( 2 ) 电场只有最分 量，磁场只有日。和日，分量，为t m 型场；( 3 ) 四周边缘切向磁场为零，即为磁壁。 当然实际的情况与假设具有一点的差异，譬如微带贴片的四周存在边沿效应，可 以适当严惩边沿的尺寸来等效，但不影响理论分析。 同) ： ( 口)渤 图3 2 空腔模型的几何结构 空腔内场满足下列的复数形式的麦克斯韦方程( 时间因子e 倒已经略去，以后 飞xh = 、e + j v n xe h = - j 掣o h ( 3 - 3 ) v 日= 0 v e = 0 式中，为z 向的电流源，由同轴线提供或者微带馈源提供，并因为基片很薄，设， 不随z 坐标而变化，因此v ，= 一j t o p = 0 ，从而有第四式v 冒= 0 。对第二式取旋 1 4 第三章小型宽带微带天线 度可得 v x v x e = v ( v e ) 一v 2 e = - j c a 比d v x h 利用第一式消去凰得 v 2 且+ 七2 e = j c o p d j 式中 k = d = k o ，( 1 一j t a n j ) t a n j 是介质损耗角正切。由于j = z j z ，e - - z e z ，式可以化为标量方程 ( v 2 + 七2 ) t = j 掣口以 由上式可以解得最后，便可以用麦克斯韦方程第二式求处飓和风： 日= 姆，+ 坩，= x 去等一y 去警 一应用模展开法可以得式( 3 7 ) 的解如下： e = j 七。叩。军；：乏 式中 ( j ，。 y 。) j c ，搠) y m = j l ，：y 一出；( y 榭】| c ，。) = p 脚沙j ，? i 凼 当微带贴片为矩形时 秒。c o s c o s 二 ，玎【x ，l 兀， 口d 小厮 ( 3 _ 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 q o ) ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) = 广= 竽，= 扛万= 1 2 t h r(313)ko c o x g o e oq oe o 1 2 25 i 一，。口 2 【j 几o k = k o s ，( 1 - j t a n j ) ( 3 一1 4 ) 在式( 3 1 4 ) q 丁t a n j 1 ，所以k 的值是个近似于实数的复数；式( 3 9 ) 中k m n 是谐振模 的截至波数，为实数，由天线的尺寸和模序号m ，刀决定。当工作频率选得使k 很 接近于值时，式( 3 9 ) q a 分母上七一k 很小而使得第( 朋，刀) 项振幅很大，于是内场 基本上就由这个项决定，在这个时候我们常常说天线工作于第( 珊，1 ) 模式。由式( 3 9 ) 1 5 电子科技人学硕十学位论文 式还可以发现对于任意得分布，不同的七位置( 馈源位置不同) 将导致不同的激 励振幅，从而得到不同能量的内场。后面的分析将看到不同的七位置对应着不同 的输入阻抗，对馈线的阻抗而言就是对应着不同的反射系数。为了获得最大的能 量辐射，常常能激励其最大内场振幅的不同的七位置并不是我们选择的馈源位置。 如图3 2 ( 口) 所示，馈源为同轴探针，它可以表示由接地板流向贴片得z 向电流 和接地板同轴开口处得小磁流环，小磁流环通常很小，可以略去；电流可以等效 为中心在电伽枷，工向陟向) 宽度为而得小电流片。设总得电流为而，那么有： 以： 吾 ，而一号 工 而+ 号 ，y = y 。 。3 。5 ， b 其他 式( 3 1 1 ) 和( 3 1 5 ) 带入式( 3 9 ) 那么就可以得到矩形微带天线内部场得分布如 下： e 2 丢既。c o s 等c o s 等 以= 丢一j 等f ，詈阚等c o s 警 ( 3 - - 6 ) h y 荟，象r 等心n 孚c o s 等 k ( 3 1 6 ) d 0 6 。 b r a n j k o q 。厶芷乏c o s 孚c o s 孕署j ( 3 - 1 7 ) 式( 3 - 1 7 ) 中 j o ( x ) = s i n x x 6 印= 言；三： t m 肌。模的谐振频率可由式( 3 1 2 ) 得出( 取i = k m ) ： ( 3 - 1 8 ) ( 3 - 1 9 ) 厶= 寿厣虿 p 2 。， 需要特别说明的是，上式中a ，b 应该为考虑了微带的边缘效应后的等效尺 寸，它要比物理尺寸a ，b 稍大： 1 6 第三章小型宽带微带天线 i a = a t + 2 刎( 6 ) 【b = 6 7 + 2 a ( a ) 哈默史塔德给出了4 ( 叻的经验公式如下： w ( 。+ o 3 ) ( + 0 2 6 4 ) 4 ，( 叻= o 4 1 2 j i i 旦一 w ( e 。一o 2 5 8 ) ( ；+ o 8 ) 刀 。可以按下式取值： ( 3 - 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) e 。( 口7 ) ，当脚= 0 。( 6 ) ，当刀= 0( 3 - 2 3 ) 丛生盟，其他 ， 关于，史奈德得出了一个简单德经验公式： 铲i s , + 1 - ( ，- 1 ) ( 1 + 警产i ( 3 2 4 ) 3 2 2 2 外场求解