移動通信系統(tǒng)中天線的分析與設(shè)計.pdf

1、天線是移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)備之一。隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，系統(tǒng)的復(fù)雜度越來越高，對天線也提出新的要求與挑戰(zhàn)，因此對移動通信系統(tǒng)中天線的分析與設(shè)計是一個既有理論意義又有工程意義的課題。目前移動通信系統(tǒng)中的天線主要包括基站天線、終端天線與微波傳輸天線三種形式。本文首先設(shè)計了基站天線的基本單元，研究了如基站天線這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)陣列天線的快速分析方法，為基站天線的快速分析提供了途徑；給出了通過粒子群優(yōu)化算法與上述快速分析方法的混合方法來優(yōu)化

2、天線的波束形狀，使波束賦形得以在360°全角域進行；給出了MoM/GA/DMM設(shè)計終端天線的混合方法，并設(shè)計了應(yīng)用于GSM/WLAN雙頻帶的終端天線；推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)體矩量法矩陣方程，并應(yīng)用到小口徑短焦距的微波傳輸反射面天線設(shè)計當(dāng)中。本文的主要成果包括以下幾個方面：
　　 1.設(shè)計了應(yīng)用于當(dāng)今移動通信系統(tǒng)中的基站天線單元，首先采用矩量法分析了帶有限大反射板的基站天線基本單元，包括±45°雙極化空氣介質(zhì)L型探針耦合饋電結(jié)構(gòu)的微帶天線，±

3、45°雙極化V形對稱振子和±45°雙極化傘形對稱振子等板狀振子型天線。這些天線單元的帶寬較寬，結(jié)構(gòu)緊湊，已經(jīng)應(yīng)用到實際的移動通信系統(tǒng)中，是基站天線設(shè)計的基礎(chǔ)。
　　 2.研究了一種快速分析基站天線的新方法，該方法首先把所計算的模型分塊，并對每一塊進行三角面元網(wǎng)絡(luò)劃分，依次求出每一塊上RWG矢量基函數(shù)的線性疊加而獲得的基函數(shù)，稱為綜合函數(shù)。應(yīng)用這一基函數(shù)在整個模型上求解，只需要很少的基函數(shù)和未知量就可以得到精確解，使所要求的存儲空

4、間和計算時間大大減少。該方法不僅僅適合分析電尺寸較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的基站天線，對其他電大平臺上的天線和復(fù)雜陣列結(jié)構(gòu)均可應(yīng)用。
　　 3.針對移動通信網(wǎng)絡(luò)中的信號“盲區(qū)”及相鄰基站天線之間的干擾問題，對基站天線垂直面波束進行賦形，將粒子群優(yōu)化算法(PSO)和快速分析方法相結(jié)合，應(yīng)用到8單元、11單元和16單元的陣列基站天線設(shè)計當(dāng)中；把該方法同樣應(yīng)用到TD-SCDMA基站天線水平面廣播波束的賦形上，應(yīng)用混合優(yōu)化方法在360°全角域上對

5、波束形狀進行優(yōu)化設(shè)計。
　　 4.將遺傳算法與矩量法相結(jié)合，設(shè)計了新型的終端天線；優(yōu)化過程中，要大量調(diào)用矩量法分析，而矩量法的很大一部分計算工作是計算Z矩陣的矩陣元素，因此，如果按常規(guī)處理，計算量很大。本文采用直接Z矩陣操作(direct Z-matrixmanipulation，DMM)方法，只需一次完整的Z矩陣計算。在天線優(yōu)化前，首先選擇PIFA天線的原始結(jié)構(gòu)計算其Z矩陣，該矩陣稱為母Z矩陣，所得到的新結(jié)構(gòu)的Z矩陣可以簡單地

6、從母Z矩陣去掉相應(yīng)的行和列而得到，不用再重復(fù)進行Z矩陣元素計算。實踐證明，GA/MOM/DMM混合方法是非常有效的天線優(yōu)化設(shè)計方法。
　　 5.推導(dǎo)了旋轉(zhuǎn)體矩量法的矩陣方程，并應(yīng)用到解決口徑較小、焦距較短的板狀反射面天線的分析問題中。由于采用了矩量法來分析該問題，把饋源和反射面作為一體，考慮了兩者的耦合，使分析結(jié)果更加準(zhǔn)確。解決了微波傳輸天線設(shè)計中的關(guān)鍵性問題，首先給出了相位中心的概念，并把相位中心的計算應(yīng)用到環(huán)焦饋源上，其次給