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移动通信系统中天线的分析与设计

苏道一  
【摘要】: 天线是移动通信系统的关键硬件设备之一。随着移动通信技术的飞速发展,系统的复杂度越来越高,对天线也提出新的要求与挑战,因此对移动通信系统中天线的分析与设计是一个既有理论意义又有工程意义的课题。目前移动通信系统中的天线主要包括基站天线、终端天线与微波传输天线三种形式。本文首先设计了基站天线的基本单元,研究了如基站天线这类复杂结构阵列天线的快速分析方法,为基站天线的快速分析提供了途径;给出了通过粒子群优化算法与上述快速分析方法的混合方法来优化天线的波束形状,使波束赋形得以在360o全角域进行;给出了MoM/GA/DMM设计终端天线的混合方法,并设计了应用于GSM/WLAN双频带的终端天线;推导了旋转体矩量法矩阵方程,并应用到小口径短焦距的微波传输反射面天线设计当中。本文的主要成果包括以下几个方面: 1.设计了应用于当今移动通信系统中的基站天线单元,首先采用矩量法分析了带有限大反射板的基站天线基本单元,包括±45o双极化空气介质L型探针耦合馈电结构的微带天线,±45o双极化V形对称振子和±45o双极化伞形对称振子等板状振子型天线。这些天线单元的带宽较宽,结构紧凑,已经应用到实际的移动通信系统中,是基站天线设计的基础。 2.研究了一种快速分析基站天线的新方法,该方法首先把所计算的模型分块,并对每一块进行三角面元网络划分,依次求出每一块上RWG矢量基函数的线性叠加而获得的基函数,称为综合函数。应用这一基函数在整个模型上求解,只需要很少的基函数和未知量就可以得到精确解,使所要求的存储空间和计算时间大大减少。该方法不仅仅适合分析电尺寸较大、结构较复杂的基站天线,对其他电大平台上的天线和复杂阵列结构均可应用。 3.针对移动通信网络中的信号“盲区”及相邻基站天线之间的干扰问题,对基站天线垂直面波束进行赋形,将粒子群优化算法(PSO)和快速分析方法相结合,应用到8单元、11单元和16单元的阵列基站天线设计当中;把该方法同样应用到TD-SCDMA基站天线水平面广播波束的赋形上,应用混合优化方法在360o全角域上对波束形状进行优化设计。 4.将遗传算法与矩量法相结合,设计了新型的终端天线;优化过程中,要大量调用矩量法分析,而矩量法的很大一部分计算工作是计算Z矩阵的矩阵元素,因此,如果按常规处理,计算量很大。本文采用直接Z矩阵操作(direct Z-matrix manipulation, DMM)方法,只需一次完整的Z矩阵计算。在天线优化前,首先选择PIFA天线的原始结构计算其Z矩阵,该矩阵称为母Z矩阵,所得到的新结构的Z矩阵可以简单地从母Z矩阵去掉相应的行和列而得到,不用再重复进行Z矩阵元素计算。实践证明,GA/MOM/DMM混合方法是非常有效的天线优化设计方法。 5.推导了旋转体矩量法的矩阵方程,并应用到解决口径较小、焦距较短的板状反射面天线的分析问题中。由于采用了矩量法来分析该问题,把馈源和反射面作为一体,考虑了两者的耦合,使分析结果更加准确。解决了微波传输天线设计中的关键性问题,首先给出了相位中心的概念,并把相位中心的计算应用到环焦馈源上,其次给出了具有自支撑结构的后馈馈源和小焦径比的“深锅结构”的准抛物面主反射面结构,最后给出了改善前后比的措施。


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