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波束可切换天线及其在智能天线系统中的应用

宋金颖  
【摘要】:近年来,无线通信技术的快速发展对无线通信系统的性能提出了新的要求。为了满足新一代无线通信系统大容量、高速率的需求,具有抗干扰、抗衰落和增容减耗等特性的智能天线技术被广泛应用于无线通信领域。波束可切换天线就是其中一种典型的智能天线,它具有低时延、低成本、高效率、高性能的优势,在工程实践中有着良好的表现。随着5G时代的到来,波束可切换天线也将得到更广泛的应用和发展。本文研究并设计了多种波束可切换天线,通过对实测结果和仿真结果的比较验证了所设计天线的有效性。在此基础上,又构建了波束自动切换智能天线系统,在实际环境中对其性能进行了测试。经验证,该系统可以改善空间中的电波覆盖情况,提高移动通信质量,为下一代移动通信系统天线的设计提供了新的选择。本文主要工作和创新点如下:(1)研究并设计了一种基于微带贴片天线和准八木天线的三波束可切换天线,该天线可以实现-90°,0°和+90°三个方向的波束辐射,波瓣宽度均在60°以上。在智能模块的控制下,可以用于波束跟踪,实现一维波束切换功能,将波束始终指向用户所在的区域。在仿真结果的基础上,对天线进行了加工,通过仿真结果和测试结果的对比,验证了该天线的有效性。(2)在研究不同结构参数对基片集成波导(SIW)辐射特性影响的基础上,研究并设计了两种四波束可切换天线。第一种天线分别从不同的端口馈电即可产生-60°,-20°,+20°和+60°的波束指向,波瓣宽度可达40°以上。通过对实物测试结果和仿真结果的比较,天线具有很好的可实用性。第二种天线在第一种结构的基础上,进一步利用PIN开关二极管改变漏波天线缝隙的周期,从而实现了电控四波束可切换天线的设计。四个波束指向及波瓣宽度与第一种天线基本一致,但是结构上实现了更加小型化,集成化的设计。(3)对波束可切换智能天线系统的实际通信性能进行了一系列测试。将以上设计的三波束可切换天线作为辐射单元,与智能模块相结合,构建了波束自动切换智能天线系统。在长直走廊中,对天线辐射的情况下的空间接收功率分布和误差矢量幅度(EVM)分布进行了测试和分析,证明了本文所提出的波束可切换天线能够实现电波的平稳覆盖,降低误码率,从而提升无线通信的质量。


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