（无线电物理专业论文）移动通信中的移动终端天线电磁特性分析及其仿真软件设计.pdf

一一一一一一一一一一一一一业二巡u ) ; * 4 1 : ti e x ab s t r a c t wit h t h e a c c e l e r a t e g r o w t h o f t h e m o b i l e c o m m u n i c a t i o n , a n t e n n a p e r f o r m a n c e h a s a m o r e a n d mo r e i m p o r t a n t s t a t u s i n t h e c o mm u n i c a t i o n s y s t e m. n o w , s m a r t a n t e n n a s y s t e m h a s b e i n g d e v e l o p e d f o r t h e t h ir d g e n e r a t i o n mo b i l e c o m m u n i c a t i o n ( 3 g ) . s m a r t t e c h n o lo g y m u s t b e a p p l i e d t o n o t o n l y b a s e - s t a t i o n s b u t a l s o m o b i l e t e r m i n a l s s o , t h e e l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f m o b i l e t e r m i n a l a n t e n n a a t t r a c t m o r e a n d mo r e a t t e n t i o n i n t h i s a r t i c l e , w e m a i n l y a n a l y z e t h e e l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f m o b i l e t e r m i n a l a n t e n n a a n d d e v e l o p a s o ft w a r e f o r e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n . i n c h a p t e r 1 , t h e d e v e l o p m e n t a n d s t a t u s o f m o b i l e t e r m i n a l a n t e n n a s y s t e m a r e s u m m a r i z e d . i n c h a p t e r 2 , t h e b a s i c t e c h n o l o g y f o r m o b i l e t e r m i n a l a n t e n n a s y s t e m i s i n t r o d u c e d . c h a p t e r 3 i l l u s t r a t e s t h e e l e c t r o m a g n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e d i v e r s i ty a n t e n n a s y s t e m f o r h a n d s e t . c h a p t e r 4 p r e s e n t s a m e t h o d o f t h e m a i n b e a m s c a n n i n g b y m u lt i - f e e d , a n d a n a ly z e s t h e s c a n n i n g p r o p e r t i e s o f b o t h p l a n a r a n t e n n a a n d t w o - m o n o p o l e a n t e rm a f o r h a n d s e t . i n t h e l a s t c h a p t e r . t h e f u n c t i o n a n d u s a g e o f e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n s o f t w a r e a r e p r e s e n t e d k e y w o r d s : mo b i l e t e r m i n a l a n t e n n a , d i v e r s i t y t e c h n o l o g y , mu l t i - f e e d , ma i n b e a m s c a n n i n g , r a d i a t i o n p a tt e r n , e l e c t r o m a g n e t i c s i m u l a t i o n 一- 一一一一一一一一一一生型竺k fl o 第一章绪论 1 . 1 移动终端天线综述 1 . 1 . 1 引言 4 0年前， 人们对远距离通信还不太感兴趣。作为一个产业部门，远距离 通信只表现出缓慢的变化。随着通信本身向信息经济的发展信息实际上 是现代经济的生命线，通信已经成为商业和工业巨大变化的关键因素。移动通 信己 成为世界范围内的发展趋势，移动终端的数量， 包括像无绳电 话和数据终 端的专用系统， 将是蜂窝系统用户数量的许多倍。 欧洲制定了g s m蜂窝标准， 允许用户用自己的号码跨国界工作。该系统的目的是给出更大的容量，并且能 与将被数字设备所替代的模拟设备相兼容。使用手提或袖珍话机的 1 . 8 g h z的 个人通信网 ( p c n ) 进一步促进该了系统的广泛应用。 像许多新出现的电子领域一样，改进的半导体芯片产品使这些新的设备原 理的实现成为可能。这些产品目 前正在进行大规模开发。组装到便携式电话机 或寻呼机中的电子器件的确令人耳目 一新。对天线设计师也提出了前所未有的 要求，这就是研制小型及至电小天线，以适应于现代技术，能在很小的手持的 基面上工作， 还要满足电性能指标，特别是带宽和效率指标.一个人们熟悉的 问题是，电子设备的尺寸降到很小，再使用常规天线，用户是不会接受的，并 且如果继续使用常规天线，设备小型化也毫无意义。 然而，对移动天线设计师还有进一步的要求，众所周知，高明的天线设 计会使天线产生另外的系统功能，例如分集接收能力，降低多路径衰落或极化 特性的选择功能等。因此，移动天线设计不再局限于在一个轮廓分明的平坦基 面上实现小型化、 轻重量、薄剖面或平嵌安装的全向 天线， 而是建立一个复杂 的电 磁结构， 使其在信号 处理中 发 挥重要作 用， 并 通常 在不 确定的时间 变化环 境中 工作。 如图1 . 1 所示， 天线己 成为系 统设计的 一 个有机部分。 涉及传播特 性、本地环境条件、系统的组成和性能、信号噪声比和带宽特性、天线本身的 机械结构、与制作技术的适应性以 及使用的方便性等。 移动系统本身的种类对 天线设计有很大影响，陆地、海事、航空、和卫星系统之间可能有若干不同， 例如车、 船、飞机和便携设备的 移动平台的 类型。天线设计师所关心的因素是 频率重用能力、信息的类型、调制和移动终端的个人化;在分区系统中，辐射 方向图必须与区域图相一致以 避免干扰，天线辐射特性也必须根据移动设备的 运动及传播路径上的环境条件所引 起的场强变化来设计; 城市市区通信要采用 分集接收以 克服多路径衰落;移动终端的 个人化则要求降低移动系统和天线的 尺 寸。 在小型 化便携设备中， 天线 和发射 机 / 接收机的 射频 ( r f ) 前 置电 路通 t 电子科技人学硕十论文 个人化 a i d 盟 图1 . 1 作为移动系统组成部分的天线i l l 常一体化为一个系统，作为辐射器。也有的把天线安装在设备上构成辐射器， 因此必须把天线单元和设备一起作为一个天线系统处理。天线附近的物体所产 生的邻近效应要影响天线性能，所以在天线设计中必须认真对待。持有移动终 端的操作者会严重干扰天线性能，因此也必须切记人体干扰问题。 1 . 1 . 2 移动天线系统的 要求 天线应作为一个系统，而不是孤立的接收/ 发射终端; 根据电 波传播条件设计天线，要有一定程度极化或方向图 分集控制能力; 天线要适应环境条件，方向图与区域要求相一致，并且允许在天线附近有 障碍物存在; 天线要与车辆或平台综合考虑，设计天线时要考虑人手和身体的影响以及 可能存在的干扰; 要研究新的制作技术，要开发新材料和集成电子新技术; 具有使用户使用方便和可靠的性能，要有最少的可动部件和开关部件，要 有高可靠度的机械设计; 超大规模集成 ( v l s i )技术和微波集成电路 ( m i c )技术有助于生产小 型化设备，例如挂式寻呼机和体积为 1 2 5 c 耐 的便携话机。为实现良 好的天线 性能， 这些设计需要低损耗高频材料。在操作移动终端时，人机接口 是最重要 的问题之一，其中易于操作和安全是重要的。 1 . 1 . 3 现代夭线设计概念 表 1 . 1 列出了 移动天线设计的发展过程. 起初移动通信只传输火车、船只 2 电子科技人学硕十论文 上的电 报，最后也传输飞机上的电报。由 于所用频率主要是低、中和高频段， 天线是单极天线或其改进型，由 软线或硬杆制作。 鞭状天线用于各种移动设备 中. v h f和 f m 技术的引入使公共和专用车辆通信取得了 显著的进步， 例如 出 租车通信、 商用通信及船和飞机的导航系统等。 接收a m( 调幅) 和调频( f m) 广播及最近开展的电视广播的汽车接收均取得了明显进步。不管频率高低，多 数汽车天线都是单极天线， 而v h f 的基站天线是偶极型天线。 高频和v h f / t j h f 频段的便携设备使用单极天线或鞭状天线， 但是也有些设备装内装铁氧体天线 和常规型螺旋天线 ( n m h a ) ，究竟用哪种类型的天线，还应视工作频率和移 动设备的类型而定。 随着移动系统用户的增加，当系统的容量达到极限时，分配给移动通信的 频率逐渐由3 0 mh z 提高到5 0 , 1 5 0 , 2 5 0 和4 5 0 m h z 从8 0 0 mh z 到9 0 0 mh z , 1 . 5 g h z , 1 .8 g h z 的频率已 分配给移动电话，目 前正在考虑更高频段的配置。 表 1 . 1 天线和移动系统的发展 - 1 9 0 0 1 9 5 0 1 9 7 0 1 9 9 0 频率 低频到高频 4 0 0 mhz 1 , 5 0 0 mh z 3 ghz 系统火车、船只、飞 机、警车、便携 式接收和发射等 所用的电报/ 电话 商用、导航、 出租车、音频 寻呼机的话音 系统 卫星通信、飞 机话音和数据 信道、个人电 话、微小区传 真 、 电 视 图 像、无线本地 网 天线单极天线/ 双极天 线、鞭状天线、 顶部加载单极天 线、 倒l型天线、 环形天线 叶片天线、加 感天线、 铁氧 体天线、螺旋 天线 角反射器天线、漏泄 同轴电缆、分集结构 天线、壳体组装倒 f 型天线、双线螺旋天 线、平行板寻呼机天 线、基地站天线、微 带阵列、玻璃印刷导 线天线 自适应信号处 理 己 经研制成功各种新型天线，例如倒f 型天线 ( i f a ) 和超小型矩形环天 线， 这些天线已 被用于寻呼机和便携电话。由于无绳电话、多信道联接系统和 导航系统的推广， 8 0 年代初，天线设计获得进一步的发展:在城市移动通信 中， 为了 降低多路 径衰落， 研制出了 空间 或极化分集天线: 移动终端的 个人化 一 一 - - - - - - - - - - 电子科技大学硕十论文 要求使用电小天线。在便携设备的天线系统中使用了综合天线系统概念。随着 更先进的个人通信系统的发展，例如日 本的个人手持电话 ( p h p ) 和未来的公 共陆地移动通信系统 ( f p l m t s ) ，将要求研制甚小型天线。将来，利用信号 处理实现自 适应控制和智能化控制将成为设备明显的特征。 当 然， 在任 何特定设 计中， 只有某 些目 标是可以 实 现的， 必须 把各 种情况 作为独立的整体来对待。 但是有些要求似乎总是必须考虑的因素，例如易于操 作控制和最好使用可获得的新材料。这些要求直接关系到产品的式样和生产， 在某种意义上也关系到产品的销售量。当然，产品首先要满足通信性能要求。 天线设计逐渐依靠基于一些著名数学方法的计算机辅助设计 ( c a d ) 。最 新的技术是时域有限差分法 ( f d t d ) ，这种方法允许辐射结构为任意形状并 由 多层不同材料构成， 辐射结构当然也包括介质外壳内的部件。移动天线基本 上是些弯曲的线段，如果设备壳是导体， 移动天线可用格栅模型模拟。分析和 设计移动天线和其他天线常用的方法是:( 1 )矩量法:适用于单极天线或便携 设备使用的倒f 型天线 ( i p a )以及v h f 频段的汽车单极天线;( 2 )几何绕射 理论 ( g t d ) :适用于u h f 频段的汽车单极天线;( 3 )混合方法;( 4 ) f d t d :适 用于便携设备的倒f 型天线和其他简单天线;( 5 )空间网络法:适用于无限大 基面上的倒f 型天线的阻抗特性计算。 1 .2 本文结构 本文主要分析了用于个人通信的移动终端天线的电 磁特性。各章节具体安 排如下: 第二章介绍了 移动终端天线系统设计的基本技术。从电磁波的传播方面， 分别介绍了大尺度传播模型和小尺度传播模型及多径效应;从移动环境中天线 j性 能的估算方面，介绍了移动天线的平均有效增益和天线分集分支的相关特 性;从移动天线设计要求方面，介绍了具体的设计要求和近导体天线。 第三章介绍了手机分集天线系统。首先简要介绍了分集与合成技术，然后 结合例子介绍了手机分集天线系统及分集相关特性，最后介绍了双馈双层贴片 天线及其散射特性。 第四章讨论了 利用多馈电形式来实现天线辐射方向图的主波束扫描功能。 首先简单介绍了多馈电实现主波束扫描的 概念，然后具体介绍了多馈电平面天 线和手机双馈电双振子天线这两种形式， 深入讨论它们的方向图形状、主波束 扫描情况、本征方向图合成和馈电端口的阻抗特性等电磁特性。 第五章介绍了本论文的软件部分。简要地介绍了 本软件的编制语言、软件 的算法选择、软件实现的功能及软件的使用说明。 电子科技大学硕士论文 第二章 移动终端天线系统设计的 基本技术 为了设计天线硬件，必须首先研究电波传播和无线传播特性，例如天线方 向图影响电波传输特性，接收分集系统中的天线对的配置实质上确定了无线信 道的传输特性。我们必须考虑所有的相关因素以 挖掘任一天线硬件的全部潜 力。下面各节分别介绍了电波传播、移动环境中的天线性能估算方法等问题。 2 . 1 电 磁波传播 电磁波传播的机理是多种多样的， 但总体上可以归结为反射、 绕射和散射。 大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，而且 高层建筑产生了强烈的绕射损耗。此外，由 于不同物体的多路径反射， 经过不 同长度路径的电 磁波相互作用引起多 径损耗，同时随着发射机和接收机之间距 离的不断增加而引 起电磁波强度的衰减。 对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测和特定 位置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模 型，由于它们描述的是反射机与接收机之间长距离 ( 几百米或几千米) 上的场 强变化， 所以被成为大尺度传播模型。另一方面，描述短距离 ( 几个波长) 或 短时间 ( 秒级)内的接收场强的快速波动的 传播模型， 称为小尺度衰减模型。 当移动台在极小范围内移动时， 可能引起瞬时接收场强的快速波动，即小 尺度衰减。 其原因是接收信号为不同方向 信号的合成。 由于相位变化的随机性， 其合成信号变化范围很大。 在小尺度衰减中， 当接收机移动距离与波长相当时， 其接收场强可以发生3 或4 个数量级 ( 3 0 d b或4 0 d b )的变化。当移动台 远离 发射机时，当 地平均接收场强逐渐减弱，该平均接收场强由 大尺度传播模型预 测。典型地，当 地平均接收场强由从5 兄 到4 0 之 范围内 信号测量值计算得到， 对于频段从 1 g h z 到2 g h z 的蜂窝系统和p c s ，相应的测量在 1 米到 1 0 米范 围内。 下面两个小节分别介绍:大尺度传播模型以 及移动通信系统中预测接收场 强的通用方法， 和小尺度传播模型，并描述在移动无线环境中测量和多径建模 方法。 2 . 1 . 1大 尺 度传 播 模型 自 由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径 时的接收信号场强。卫星通信系统和微波视距无线链路是典型的自由空间传 播.与大多数大尺度无线电 波传播模型类似，自 由空间模型预测接收功率的衰 电子科技人学硕十论文 减为t - r距离的函数 ( 幂函数) 。( 详情见参考文献2 ) 在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为反射、绕射和散射。 接收功率 ( 或它的反面，路径损耗)是基于反射、散射和绕射的大尺度传播模 型预测的最重要的参数。下面作个简要介绍: 1 .反射 当电 磁波遇到比 波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建 筑物和墙壁表面。 电波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通过。 如果 平面波入射到理想电介质的表面，则一部分能量进入第二个介质中，一部分能 量反射回到第一介质，没有能量损耗。如果第二介质为理想反射体，则所有的 入射能量被反射回第一介质，无能量损耗。反射波和传输波的电场强度取决于 费涅尔反射系数 ( r) 。反射系数为材料的函数，并与极性、入射角和频率有 关。 一般来说，电磁波为极化波，即在空间相互垂直的方向上同时存在电 场成 分。极化波在数学上可表示成两个空间互相垂直成分的和，例如水平和垂直， 左手坏和右手环极化成分等。对一定的极性，可通过叠加计算反射场。 蜂z , i - t 叱 七kf k 。 。 ，反 射 点一 一_ 一 “中 ， . 人 射 角 :二 甲 2 . 人射角 ;阅 口- 一， 州 - - - - - 一 一 ， - - 一- 一一一 一0_. 卜 寸 镬 像 图2 . 1双 线地 面反 射模型 12 1 这里主要介绍一种地面反射 ( 双线)模型。在移动无线信道中， 基站和移 动台之间的单一直接路径很少是传播的唯一物理方式，因此单独使用自由空间 传播模型，在大多数情况下是不准确的。图2 . 1 所示的双线地面反射模型是基 于 几何光学的 非常有用的 传播模型， 不仅考虑了 直接路径， 而且考虑了 反射机 和接收机之间的地面反射路径。该模型在预测几千米范围 ( 使用天线塔超过 5 0 m)大尺度信号强度时是非常准确的，同时对城区视距内的微蜂窝环境也是 一一一一一一些兰坦 j : -7 . 少 论 文 非常准确的 。 如 图 所 示 的 由 直 射 路 径 来 的 直 射 波 和 反 射 路 径 来 的 反 射 波 相 加， 便 得 到 移 动天线的接收功率 。 = po( i 41rdia )2i1一jao y ( 2 . 1 ) 式中 p o = p , g ,g,a , p , 是 发 射 功 率， g ， 是 蜂窝 站 天 线的 增益， g 。 是 移 动台 天 线 增益， a 为 各种 不同的 人 造环境传播所造成的附 加损耗，a ,. 是反射系数，当 反射波的 入射角 很小时，a ,. = - 1 。 。 一 8 a d 是 直 射 路 径 与 反 射 路 径 之 间 的 相 位 差 ， q 一 2 1r 是 波 数 ， a d 沁 是直射路径与反射路径的差 d= ( h , + h , ) 2 + d ， 一 v ( h , 一 h 2 ) 2 + d 2 ( 2 .2 ) 气 和h : 分别为 蜂窝 站和移动台 的天 线高 度，d 是蜂 窝站与 移动台 之间的 距离， 仁 典 下 ) 是 自 由 空 间 路 径 损 耗 公 式 。 口,rd 又 夕- 一 - - 一、 . 一 、 _ 式( 2 . 1 ) 是两波模型的精确解方程，可用计算机计算。这个简单的模型并不 能很完美地展示出接近中心的移动无线电 坏境;当离蜂窝站址的距离为1 公里 或更大时，从统计意义上来讲，两波模型的曲 线值与测量数据能较好的吻合， 因 此 我 们 更 偏重 于 距 离 大 于i 公 里的 情 况。 在 此 条 件下， h , + h 2 +d ， 式 ( 2 .2 ) 可近似表示为 d = ( 2 / d ) h ,h ,，同时，0 (d也很 小，故有 e x p ( .% a q) ) = 1 + j b ( a d ) ， 最后化简得: p , = p ( h ) 2 h 22 / d 0 ) 上式是一个近似公式， 由于近似处理 ( 2 .3 ) 其波长被消去. 由于式中没有出 现波长 7 电子科技人学硕士论文 因此式( 2 . 3 ) 不能像自由 空间损耗公式那样，用来计算绝对路径损耗， 但要比式 ( 2 . 1 ) 简 单。 对 于 所 用的d 和h 、 及h , 值， 式 ( 2 .3 ) 与 近 于4 0 d b的 蜂 窝 站 天线 高 度 增益也很吻合。可惜的是，当移动站天线高度接近 3 m时，测量结果表明移动 站天线高 度增益是3 d b而不是6 d b ， 与式( 2 . 3 ) 不吻 合，因 此式( 2 . 3 ) 应修改为 p , = p o ( h i h z l d ) ( 2 .4 ) 式中1 _ c i 八 盯 切 革 比 一 二 1 戈农 父 义 俄 ph 化功率比 ( x p r ) : x p r _ 二 君 ， 当发射无线电波是水平极化时x p r图2 .4 移动无线电 环境的球坐标19 1 一一一一一一一一一一生-f塑 k y k + it 3 c 表示交叉极化藕合11 0 1 ;而当发射波是垂直极化时， x p r表示交叉极化祸合的 倒 数。 在 球 坐 标 系 统中 ， 如 图2 .4 所 示， s f 均 天 线 接 收 功 率凡。 表示 式 如 下 111 卜 p re , = r f p g b (9 ,o )p e (9 ,o ) + p g 4 (b ,o )p , (6 ,o ) is in o d o d o (2 .5 ) 式 中 ， g o ( 0 , 0 ) 和g 4 ( b , 0 ) 分 别 是 天 线 功 率 增 益 方向 图 的 9 和0 分 量， p e ( b , 0 ) 和凡 ( 0 1 0 ) 分 别 是 入 射平 面 波角 强 度的b 和0 分 量， 这 些函 数 满 足 下 述 条 件: 了 f go (b , ) + g , (b , 0 )sin o i6h ， 一 4 1r(2 .6 ) f rz f p e (0 ,0 ) s in 6 u 6 u o 一 ， f f p , (b , o ) sin 6 fe - .jk v ” 是 天 线 速度u 引 起的 多 普勒 相 移:k 是 一波 数， : 是辐射方向的单位矢量:x 是两天线之间的入射波的相位差，如果分集 天 线位于 y - z平面，并且两个天线分支的 连线与垂直方向 成18 角， 如图 ( 2 . 5 ) 所 示， x = d ( s in b s in 沪 s i n 刀 + c o s b c o s 刀 ) 如 果 两 个 入 射 波 不 相 关， 则 有 下 式: ( f e (0 ) f e ( q )卜( f e (q ) f b (0 ) ) s ( 。 一 。 )(2 .1 4 ) 一一一一一一一一一一一生-f 4 4 4 x土丝_ ( f 4 (0 ) f + ( s 2 )卜( f o ( n ) 叮 p o (。 一 。 ，)(2 .1 5 ) 这 是 因 为f e 和f o 的 相 位与 不同 方向 0 = ( 0 , 沪 ) 和。 ， 二 ( 0 , 沪 r) 的入射波无 关 ， 以 及f e 和 f o 的 相 位 是 彼 此 独 立 的，且均匀分布于0 - -2 二 之间，于是 下列关系成立: ( f (q ) f ; ( q ) 一 0 (2 .1 6 ) 式中， 括号表示集平均值，星号表示图2 . 5 天线分集及其坐标系统 复 数共扼。 v ( t ) 可用复数高 斯方法 逼近且平均值为。 ， 满足下式: ( v ( r ) ) 二 0 因此有下述方法可得出两接收电压的互协方差: 和 ( 2 . 1 3 ) 中， 并且使用条件式( 2 . 1 4 ) , ( 2 . 1 5 ) 和( 2 . ( 2 . 1 7 ) 将式( 2 . 1 0 ) 和( 2 . 1 1 ) 代入式( 2 . 1 2 ) 1 6 ) ，得出 r12= w , (t)v,* (t)，二 2kp ; 一 x p r - 凡l ( b , o ) p , ( b , o ) + e , , ( b , o ) e ; 2 ( e , o ) p , ( b , o ) - * s in b d 在垂直面内， 要设计成向下倾斜以 减少共信道干扰。 航 空移动系统的基地站天线可以使用圆锥波束以 覆盖指定区域，或配备卫星跟踪 1 9 一一一一一一一一一一一* if = m 上 - 0 设备。 现在人们己 把移动通信系统使用的天线看成是关键性部件，因为它在提高 或限 制系统性能方面起着重要作用。因此要广泛研究天线性能和特征， 特别是 要把移动环境很传播条件考虑进去。 对天线的要求取决于移动系统的类型，如表 2 . 1 1 所总结的那样，其中类 型分为陆 地、 海事、 航空和卫星移动系统。 有各种类型的天线， 从简单型天线， 如单信道工作的鞭状天线，到复杂型天线， 如多信道系统使用的波束赋形阵列 羞地站天线移动站天晚 眼挽( 城带要求实例 要求实侧 海事电话 系挽( 2 5 0 mh z ) ，班宽区坟 ( 5 0 -1 0 0 k z n ) 角形反份肠 平面反射廿 水平面全向 离增趁 一扭于( 套，) 胶空电话 蔽坟 . 阅mh z ) 妞月，宽区城 ( 4 0 0 k m) 钾创地口反射故 共级阵 边射阵( 胶形位束 全向 极低空气动力幸 巨力 刀形夭峨 ( .入式) 火车电话 暇拢( 4 0 0 u 4 h z ) 妞盆带形区城 衍盆砚遨内区 格栩钻物面 反封件 网抽t稚电班 低空气动力 学且力 琳.天晚 汽车/ 便娜 ( 8 0 0 mhz ) 对娜有摘梅的 有效照射 多 位邀工作 阵任衰落 共坟阵 故束搜料 和1 或队形浪雍 的边射天线阵 入木夭找 车段。 全肉。 离姗盆. 分纽 使挤. 离效率. 体权小。 分纽 套门天晚 单怪天幼 印日 .于狡幼上 单扭天砚 平， i f a 寻呼机 ( 2 5 0 m卜 z ) ，盆宽区城 区城内有效妞时 角形反射. 布姻天找 离效今 宜内天城 小口耳天砚 表2 . 1 对移动天线系统的要求 天线。 表2 .2 示出了各种移动通信系统中基地站和移动站使用的典型天线。 基 地站天线的作用不同于移动站天线，并且要根据不同的要求设计。 基地站天线 的电 性能和机械结构，主要取决于业务区面积的大小和形状。 例如，在海事和航空移动系统中，基地站天线方向图必须能覆盖广阔的 区域，并且方向性要高 ( 7 - i 1 d b d ) ;在火车通信系统中， 业务区面积限制在 沿铁轨走向的长而窄的区域内。为了 覆盖这样的区 域，就得使用抛物面反射器 天线; 在山区和隧道中，无线电 波被遮挡，为了 解决这些区域的通信问题已 研 制并使用了l c x通信系统，在日 本，该 系统也用于火车电 话系统。因为天线 要安装在运动物体 ( 如火车、汽车， 特别是飞机的外壳上) ， 所以要求重量要 轻， 能承受空气动力学条件。 因此常用薄而短的单极子天线， 或低剖面天线( 如 一一一一一一一一一一一生丝世些全士 论 文 旅 移劝站 花绝姑 夭晚典里 ， 农 。 。 ， ， 农 ，呼悦。 ， 扣 因以h 臼， 翻的 自口卜. 心 翻 目 以 妇 it , 峨目日出 小皿方环天坟 乡环天找 仪权体砚目天坟 平行饭夭晚 .住环 有限空门内宜. 天找本休。 内位盛。 ，任 遨过合成天姆城 晚产生的 .场. 电场分f劣砚4 方内砚.度 利用t.环扭离 哭吸度。 饭成* 布.天峨 角反封. 平口反肠. 阵夭晚 边幼任. . ) 宜城，a度用 俄协位班对. 定区城，班在 业 肠区均 匀场 分每 班绝咭的. 拓翻 .幼电场， 车旅 . 侧冷m卜 肠 刀弓 草.天映 夕名 套月班于 印翻。 砚于 月草吸天找 . 水平。 .! 水平口全自性方 向目 络宜阅花仲几 空阅分自 共雌阵月 m s 几 .往胜钧百 边材阵 妇肠及封. :公子 月上。 方自.自下妞 科 . ，早.任介 . 空目成.化分 自 倪挤 g o o m. 夕 草妞夭挽 刀心 彼伏天找 s妞.晚夭雌 平百 甲 有限 空月内安. 天晚本体 天妞 瓜晚包含人 体城长倪 设备。 空阅分. 月上 文又任 子 月上 无月 电活 。 z e o / t 0 0 mhs 班报于， 小皿开 天 。 手。 ， 天城 内位组式安住在 电活执充上 坦住于， 月单.天晚 宜 内 用 ( 2 0 - i f均. 表2 .2 实际移动通信系统用的典型天线 倒 l型天线) 。 嵌装型或保形天线特别适用于飞机，如刀形天线和微带天线。 在汽车电 话系统中，常用的天线不是套筒天线就是单极天线，并且既可以 装在 车尾盖上，也可以 装在车顶上。天线要设计得不遮挡司机视线，并且车体对辐 射图没有什么影响。 还研制了并且也使用了多种其他类型天线， 如接收广播用 窗玻璃印刷线天线，印 刷在玻璃窗上并通过窗玻璃进行电 磁祸合而进行馈电的 单极天线 ( 叫玻璃印刷天线) ， 用于汽车电话系统。要求便携无线电 话、无绳 电 话和寻呼机所用的天线使用方便、 舒适，因此这些天线的尺寸能小到安装在 设备上， 或者能组装到设备内。为了 满足这些要求，主要采用短鞭状天线、常 规螺旋天线和小的环型天线。日 本的 便携电 话系统已 使用了 两元、单极和平面 倒f 形天线， 这些 天线可装在设备内，因 此实 现了 空间 分 集功能 11 5 。 因为寻呼机通常放在携带者的外衣口 袋中 或挂在腰带上，因此使用了内 装 型矩形环状天线。 通常要求消除一般会劣化天线性能的临近效应。但是对于寻 呼机环状天线，由于利用了临近效应和人体效应， 天线性能反而提高了， 详情 如下所述:靠近天线单元的导体被用来产生偶极型电 流，这样可获得近于 一41 f jk 拉 k 7 : 硕 士 论 文 全向 性的接收方向图:由于环状天线的镜像使场产生叠加，人体效应提高 了 接收机灵敏度。磁形天线，如环状天线、 微带天线以及平面倒l 天线可以 满 足上述要求.这类辐射系统的方向图应采用三维图。极化也变得复杂，例如不 只有垂直极化，也有水平极化。即使用一个垂直单极天线，由于设备外壳也参 与辐射， 极化也是复杂的。也必须在三维空间估算天线增益。 便携设备的 增益应尽可能高，以 便使发射机功率降低，并可使用小电 池. 这将导致设备更小、更轻，并且使设备再充电的时间变长，从而延长了发射机 的工作时间。当发射机非常靠近人体工作时，天线设计还必须考虑电 磁能量对 脑、眼等人体组织的影响。 在设计和实际使用便携设备时也必须重视环境条件。 在移动通信环境，特 别是在市区， 基地站和移动站天线都己 使用了分集接收技术，以克服多径衰落 问 题。 要求分集天线系统分支间的相关因子小，并且应是成本低的紧凑结构。 日 本的移动电话系统，移动站和基地站都采用了分集接收四。己为移动站，研 制了结构非常紧凑的分集天线。这类天线虽然由两个分支组成，但外形如同一 个天线12 0 1 。有一种这类天线是车载的垂直相间的套筒天线，还有一种是便携设 备所用的，天线系统由一鞭状天线和一局部平面倒f形天线构成。 在数字调制系统中利用角分集或方向性分集可缓解入射波延迟扩展问题。 现在要进一步研究和开发能克服多路径传播、干扰和其他问题的新天线系统。 在移动卫星系统方面，己开发了许多天线，这些天线具有圆锥波束或对卫星跟 踪能力，以使当天线装置在移动车上时能连续不断地指向卫星。己研制出机械 跟踪、点跟踪以 及两者结合的 跟踪系统12 1 1 。 例如， 火车、 船只和公共汽车系统 及轿车数据接收都引入了微带相控阵天线接收卫星