移动通信系统中终端天线和基站天线的研究

摘要

天线作为现今无线通信系统的最前端，担负着辐射和接收无线电波的任务。天线在整个系统中占有至关重要的地位，它性能的好坏会直接影响整个通信系统的工作性能。因此，研发出性能良好的移动终端天线和基站天线具有十分重要的意义。本文围绕研究课题，利用仿真软件，对基于复合左右手传输线的小型化多频段天线、空间分集天线、极化分集超宽带陷波天线等终端天线，以及双极化全向和定向等基站天线展开了研究。为了验证设计的可行性和准确性，笔者还对上述天线进行了加工和测试。作者主要的研究内容包含以下几个方面：
　　1.设计了一款加载复合左右手传输线(Composite Right/Left-Handed Transmission Line, CRLH TL)零谐振单元(Zero Order Resonator, ZOR)的、可覆盖无线局域网(Wireless Local Area Network, WLAN)和全球微波互联接入网络(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX)频段的单极子天线。首先通过在单极子上刻蚀L形缝隙的方法，形成了4.1 GHz和5.6 GHz两个不同的谐振频点；然后，在上述天线的基础上，又设置了矩形贴片I和II，以及一条短路细微带线，矩形贴片I和 II之间形成的串联电容和在短路细微带线上形成的并联电感构成了超材料加载单元，由此引入2.4 GHz的谐振频率，与此同时，原有的4.1 GHz和5.6 GHz两个谐振点向下移，这时天线可完全覆盖2.4/5.2/5.8 GHz WLAN和3.5/5.5 GHz WiMAX频段。该天线只有一个单极子工作模式，地面不再作为辐射体的一部分，因此它的有效辐射面积得到大幅缩减。通过对以上的天线进行加工、调试和测试，发现得到的测试结果与仿真结果基本吻合，表明该天线能够较好的满足未来无线通信系统的要求。
　　2.讨论了工作在WLAN频段的四单元空间分集天线。天线单元采用的是单极子加载交趾形短路枝节的形式，在小型化的基础上实现WLAN频段的全覆盖，接着给出了四单元 MIMO天线的设计思路，并且对于如何给单元之间去耦以及各去耦结构对天线S参数的影响进行了讨论，确定了加载L形枝节、弯折枝节和L形缝隙的去耦方案。对以上的天线进行加工，并测量了天线的S参数、辐射方向图、增益、效率和包络相关系数，得到的测试结果与仿真结果基本吻合，表明该天线能较好的满足MIMO系统的要求。
　　3.对具有陷波特性的超宽带极化分集天线进行了深入研究。首先笔者给出了具有双陷波和三陷波特性的超宽带极化分集天线的设计，同时对S参数、方向图、增益、效率和包络相关系数等的仿真结果和测试结果进行了对比和分析。接着探究了差分馈电技术应用在极化分集超宽带陷波天线中的前景，设计了三种高隔离度、低交叉极化的差分馈电极化分集陷波天线，具体地说，两个相互垂直的差分对用来实现极化分集，接着通过加载弧形缝隙、C形缝隙、开口互补谐振环(Complementary Split Ring Resonator，CSRR)或开路枝节等，滤掉要求的部分或全部频段，避免与之产生干扰。对以上天线进行加工和测试，得到的结果表明所设计的天线都能较好的满足超宽带无线通信系统的要求，同时，笔者给出的设计方法具有一定的通用性，其他研究人员可以根据这些方法设计出类似的具有陷波特性的超宽带极化分集天线。
　　4.讨论了两种双极化全向天线的设计原理和方案。首先，依据单锥天线的辐射特性，笔者对单锥天线进行了两种不同形式的变形，分别设计了可覆盖0.8 GHz-2.7 GHz和0.8 GHz-6 GHz的垂直极化全向天线。然后通过偶极子组成圆形阵的方法，形成水平极化全向天线，为了进一步扩展其工作频段，还在偶极子边缘加载了寄生枝节，使其实现1.7 GHz到2.7 GHz的覆盖。该天线的两个极化单元在水平面上均可实现全向辐射，且频带宽、隔离度高、交叉极化低、增益稳定，可以被广泛应用在室内分布式系统、便携式接入点或移动基站中。
　　5.对覆盖1710 MHz到2690 MHz的双极化基站天线及阵列、具有抗干扰功能的双极化基站天线、可全覆盖第二、三、四代移动通信系统(The Second/Third/Fourth Generation Mobile Communication System,2G/3G/4G)的双频双极化基站天线及阵列进行了设计，分析了天线的一些重要参数对性能的影响，对天线的实际设计具有一定的指导意义，并且为了验证它们的可靠性，还对上述天线进行了加工和测试。结果显示，笔者所设计的定向基站天线性能良好，适合于在基站系统中使用。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容安排

第二章 基于复合左右手传输线的小型化多频段天线

2.1引言

2.2天线设计

2.3本章小结

第三章 空间分集MIMO天线设计与分析

3.1引言

3.2空间分集MIMO天线设计

3.3本章小结

第四章 极化分集超宽带陷波天线设计

4.1引言

4.2具有双陷波特性的超宽带极化分集天线

4.3三陷波超宽带极化分集天线

4.4差分馈电的极化分集单陷波天线

4.5差分馈电的极化分集双缝隙陷波天线

4.6具有两种不同陷波结构的差分馈电极化分集天线

4.7本章小结

第五章 双极化全向天线设计

5.1引言

5.2可覆盖2G/3G/LTE的双极化全向宽带天线

5.3可覆盖2G/3G/LTE/WLAN的双极化全向宽带天线

5.4本章小结

第六章 基站天线设计

6.1引言

6.2基于PCB的双极化基站天线

6.3一体化加工的双极化基站天线

6.4具有电下倾功能的双极化基站天线

6.5具有抗干扰功能的双极化基站天线

6.6双频双极化基站天线

6.7可覆盖2G/3G/4G的双频双极化基站天线

6.8本章小结

第七章 总结

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

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