双环天线在第三代移动通信系统中应用的研究与设计

摘要

基站天线系统是移动通信系统的重要组成部分，不同服务区域网络覆盖的优化需要选择合适的基站天线。对一些特殊的覆盖区域，如铁路、高速公路、海岸线以及海岛等带状区域，宜采用水平面半功率角为30°左右的窄波束天线。水平面窄波束天线具有增益高、覆盖距离远的优点，从而可以减少网络覆盖所需要的基站数目，降低网络覆盖的投资成本。　　当前，窄波束基站天线主要通过在水平面采用两列(或多列)阵元或外加大型的角反射板等形式予以实现。若采用2L形双环天线作为其阵列单元，则只须一列阵元即可实现水平面半功率角为30°左右的垂直极化波束要求，且结构简洁，因此可以大大降低天线成本。　　双环天线过去主要应用于电视广播发射领域，它是一种等效半波振子天线，具有结构简单、馈电点少、增益高、频带宽的特点。将双环天线应用于第三代移动通信系统(3G)基站中是一种全新的探索与尝试。　　本文首次提出了双环天线在3G基站中的应用形式，并对其方向图特性、阻抗特性以及宽频带特性进行了仿真研究和分析。在充分进行理论分析和仿真验证的前提下，对双环天线提出了改进方案。这种改进的好处在于：在将水平面波瓣控制在一定范围的同时，能最大限度地抑制副瓣电平的上升。通过仿真验证，在工作频带内，这种改进能改善第一副瓣电平值为0.7～1.6dB，具有较高的实用价值。应用改进的双环天线，设计制作了两种不同增益的基站天线。实测结果表明，设计制作的两种天线各项指标均达到了预定的设计目标，证实了双环天线在3G基站中的适用性，且具有广阔的市场前景。　　本文按照阵列天线的设计过程，从方案的理论分析到模型的仿真验证、从天线单元的设计到阵列各项指标的实现、从仿真设计到样机的实际测量，都一一进行了论述。它为双环天线的应用设计提供理论和方法指导，对双环天线在更广泛领域中的应用研究具有一定的启迪作用。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1蜂窝移动通信组网技术

1.1.1服务区域的划分

1.1.2基站天线的选型

1.1.3基站在网络覆盖中的设置方式

1.2双环天线在第三代移动通信系统中的应用背景及意义

1.2.1窄波束天线的应用背景

1.2.2窄波束基站天线的主要实现方式

1.2.3应用双环天线的优势

1.3移动通信基站天线的研究与设计

1.3.1基站天线主要研发厂商及产品

1.3.2天线分析和设计软件介绍

1.4本研究课题的来源和主要工作

1.5论文的内容安排

1.7本章小结

第二章双环天线理论

2.1双环天线概述

2.1.1引言

2.1.2双环天线的概念

2.1.3双环天线在电视发射台中的应用

2.2双环天线的辐射原理

2.3双环天线的等效原理

2.4双环天线的阻抗匹配原理

2.4.1单环天线的输入阻抗

2.4.2简单的双环天线

2.4.3附加调配线的双环天线

2.5本章小结

第三章双环天线在3G中应用的仿真研究

3.1模型的建立

3.2与半波天线阵等效性验证

3.2.1单圆环天线等效性验证

3.2.2 2L形双环天线等效性验证

3.3方向图特性

3.3.1圆环间距2l1的影响

3.3.2环半径大小的影响

3.3.3介质对方向图的影响

3.4阻抗特性研究

3.4.1介质高度的影响

3.4.2平行传输线间距的影响

3.4.3圆环周长的影响

3.4.4圆环输入端短截线高度的影响

3.4.5馈电连接片宽度的影响

3.5宽频带特性

3.6本章小结

第四章2L形双环基站天线的设计

4.1设计目标

4.2天线单元的研制

4.2.1天线单元结构方案选择

4.2.2尺寸的选择

4.2.3 2L形双环天线的仿真

4.3 2L形双环天线的改进

4.3.1问题的提出

4.3.2改进方案

4.3.3改进效果的验证

4.4阵列天线设计

4.4.1阵列天线基本原理

4.4.2阵元间距的确定

4.4.3阵列天线的仿真设计

4.5阻抗的匹配

4.5.1天线单元的匹配

4.5.2互耦对单元输入阻抗的影响

4.5.3功分器的设计

4.5三阶交调抑制

4.6功率容量估计

4.7本章小结

第五章天线参数测量与结果分析

5.1天线远场辐射参数的测量

5.1.1方向图的测量

5.1.2增益的测量

5.1.3测角误差的分析

5.2电路参数的测量

5.2.1 VSWR测量

5.2.2无源交调的测量

5.3本章小结

结束语

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢