应用于UWB-MIMO通信的天线研究

摘要

作为一种典型的应用于短距离通信的高速无线传输技术，超宽带(UWB)技术已经得到了广泛的发展，它特别适合于室内环境的无线通信。然而，一方面，为了避免UWB信号对其它通信设备的干扰，美国联邦通信委员会(FCC)等电信管理部门对UWB信号的功率谱密度进行了严格的限制，从而限制了数据传输速率的进一步提高，与人们对更高速传输的无限追求相悖；另一方面，室内环境中具有丰富的多径，使得多输入多输出(MIMO)系统可以利用自身固有的阵列增益和空间复用增益，大大提高频谱利用率，从而有效提高信道容量和数据传输速率。因此，将MIMO技术与UWB技术相结合，不仅可以打破对UWB信号的功率限制，而且还可以有效提高系统的信道容量，从而大幅提高系统的数据传输速率。
　　天线作为无线通信中发射和接收电磁波的装置，它的特性对无线通信系统的性能具有重大影响。要设计应用于UWB-MIMO系统的天线，首先需要设计具有宽频带、宽波瓣和稳定增益的天线单元，其次要充分利用天线的分集技术，这就需要设计具有良好分集性能的天线阵列。
　　本论文共分六章，主要内容如下：
　　本论文第一章分别介绍了UWB技术、MIMO技术、UWB-MIMO技术的发展与现状以及UWB-MIMO天线的研究现状。
　　第二章主要介绍了MIMO天线的分集技术及其分集性能的表征。分集可以有效抵抗无线信道中的多径衰落，从而提高通信质量和可靠性。此外，还对UWB-MIMO天线的设计要求与思路进行了总结。UWB-MIMO天线的设计难点包括如何对天线尺寸与单元间隔离度进行折衷，从而得到较佳的设计方案。
　　第三章主要从收发天线的朝向及相对高度这两方面，研究了具有全向方向图和定向方向图的两种UWB天线对室内信道特性的影响。研究表明，全向的UWB天线由于可以接收到更丰富的多径信号，更适合用于室内信道测量。
　　第四章分析了两单元UWB-MIMO天线、三单元UWB-MIMO天线和四单元UWB-MIMO天线的单元位置和排列方式对天线性能的影响。分别从天线匹配、天线隔离度及天线方向图等角度对不同阵列形式的UWB-MIMO天线进行了比较。结果表明，充分利用天线的分集技术可以有效提高天线的隔离度。
　　采用隔离结构是一种较好的提高天线隔离度的方法。第五章设计了一种新颖的小型化隔离结构，它可以在3.1-10.6 GHz频带内将一个两单元UWB-MIMO天线的隔离度提高近5 dB，而且对天线的性能影响很小。
　　最后一章对本论文进行了总结。

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第一章 绪论

1.1 UWB技术简介

1.2 MIMO技术简介

1.3 UWB-MIMO技术

1.4本论文的组织结构及创新点

第二章MIMO天线分集技术及UWB-MIMO天线的设计思路

2.1天线分集技术

2.2 UWB-MIMO天线的设计要求与思路

2.3本章小结

第三章 基于UWB天线的室内UWB信道特性研究

3.1 测量天线

3.2 信道测量过程

3.3 测量结果

3.3 本章小结

第四章 UWB-MIMO天线设计

4.1两单元UWB-MIMO天线的设计

4.2三单元UWB-MIMO天线设计

4.3四单元UWB-MIMO天线的设计

4.4本章小结

第五章UWB-MIMO天线隔离结构的设计

5.1隔离结构一的设计

5.2 长条型隔离结构的小型化设计

5.3 本章小结

第六章 本文总结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果