毕业设计（论文）-移动通信系统基站天线设计.doc

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1、摘 要 I 摘 要 本论文介绍了蜂窝移动通信中基站天线技术的研究进展，并对移动通信系统 及基站天线进行详细的阐述。 由于微带天线具有重量轻、低剖面、成本低、易于制造、封装和安装等许多 固有的优点，本文选用微带贴片天线作为天线单元。首先采用传输线法和腔模理 论对矩形微带天线进行分析，计算出矩形贴片的长，宽，并选择基板材料和高度。 然后针对设计指标详细讨论了各种因素对微带贴片天线性能的影响，用背馈的方 式完成了微带贴片天线单元的设计方案，从而简化馈电网络。 为了达到带宽，增益以及方向图等任务指标，需要通过组阵。考虑到天线面 积和实际应用的问题，采用 4 片等幅同相的矩形贴片构成一个 4 元直线阵列

2、，并 对线阵进行同相馈电，用 HFSS 软件对其进行优化与仿真。 最后在天线阵后面选择反射板，使天线波束往前发射，画出机械加工图,并讨 论和总结波瓣宽度的规律。 关键词关键词：移动通信 基站天线 定向天线 微带天线 阵列 ABSTRACT II Abstract The thesis introduces the current developments in the base station antenna techniques for celluar mobile communication,and expound the mobile communication system,base

3、stationantenna. Because the microstrip antenna have advantages such as light weight,thin profile and easy manufacturing,packaging and installing. Antenna cells select the traditional round microstrip patch antenna, First,rectangular microstrip antenna has been analyzed by transmission-line and modal

4、-expansion cavity models and make a compution about the length,highness,and select the material of the basis.And then,after we have discussed kinds of factors that affect the antennas characteristics ,we anufactured the microstrip antenna element successfully by back-fed,simplifying the matching net

5、work. We need to organize array for getting to achieve the indexs such as bandwidth, gain and radiation patterns.Considering the antenna area and the practial application,we organize a four element line-array with four elements equiamplituded with phase,which is analyzed coaxial feeding.To optimize

6、and simulate by HFSS. Finally, select a band at the back of the antenna array to let the beam launch toward the front,meanwhile,we draw cad processing map and discuss and give a summary of the lobe width. Keywords: mobile communication base station antenna directional antenna microstrip-antenna arra

7、y 目 录 III 目 录 第 1 章 引言.1 1.1 移动通信概述 .1 1.1.1 移动通信的特点.1 1.1.2 移动系统的组成和技术的发展.2 1.2 移动通信系统基站天线 .3 1.2.1 蜂窝移动通信技术的发展情况.3 1.2.2 蜂窝系统中的基站天线.4 1.2.3 板状天线的发展.6 1.3 工作任务 .7 第 2 章 板状天线基本原理及分析9 2.1 板状天线基本原理 .9 2.1.1 反射板的形状11 2.1.2 蜂窝基站天线单元12 2.2 微带天线概述 13 2.2.1 微带天线的辐射机理14 2.2.2 微带天线的馈电方法15 2.3 矩形微带天线及其分析方法 16

8、 2.3.1 腔体模型理论17 2.3.2 传输线模型理论19 2.3.3 矩形微带天线的性能分析21 2.4 基站天线的改善技术 23 第 3 章 阵列天线单元的性能分析.25 3.1 矩形微带天线单元的设计 25 3.1.1 基板材料和贴片尺寸的选择25 3.1.2 单元的增益和方向图26 第 4 章 线阵列天线的设计与仿真.30 4.1 阵列天线 30 目 录 IV 4.1.1 阵列天线的馈电30 4.1.2 直线阵列分析31 4.2 单元天线组成线阵的设计 36 4.2.1 贴片间距的选择40 4.2.2 阵的仿真与测试40 4.3 天线性能分析与波瓣宽度的设计规律 43 结束语.48

9、 参考文献.49 致谢.50 外文资料原文.51 翻译文稿.56 第 1 章 引言 1 第 1 章 引言 1.1 移动通信概述 1.1.1 移动通信的特点 移动通信是指通信的双方，或者至少有一方在运动状态中进行信息传递的通 信方式，它使人们能够随时随地、及时可靠、不受时空限制地进行信息交流，其 优越性是固定电话无法比拟的。从 20 世纪 20 年代美国底特律市警察使用的车载 无线电系统问世以来，移动通信系统经历了第一代的模拟频分系统（如 AMPS、TACS） ，目前广泛应用的第二代数字蜂窝系统（如 GSM、CDMA） ，即将投入 商用的第三代移动通信系统 IMT-2000，和正在开展广泛研究的

10、第四代移动通信系 统。移动通信系统的容量在不断提高，业务种类也越来越丰富。 移动通信的特点： 1.移动中通信 移动通信灵活机动，能随时随地地进行通信，这是移动通信的最大特点，也是移 动通信得到广泛应用的原因。 2.电波传输复杂 信道传输特性不仅十分复杂，而且很不稳定。因移动台的不断运动而导致接收到 的信号幅度和相位将随时间、地点而不断变化。尤其是陆地移动通信遭受地形、 地物的影响极大。此外多径道传播造成的衰落，建筑物阻挡造成的阴影效应（即 阴影衰减）和运动产生的多普勒频移动等，均导致接收信号极不稳定。另一方面， 移动台的工作环境是处于实况变化中的，它所受到的外部噪声和干扰情况也是不 断变化的，

11、如汽车的火花噪声干扰、邻道干扰、互调干扰和同频道干扰等。 3.移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而而移动通信业务量的需求却与日俱 增。 如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。为了解决这一矛 盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究各种新技术和新措施，以压 缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。 4.移动通信系统的网络结构多种多样， 网络管理和控制必须有效 根据通信地区的不同需要， 移动通信网络可以组成带状(如铁路公路沿线)、面 电子科技大学学士学位论文 2 状(如覆盖一城市或地区)或立体状(如地面通信设施与中、低轨道卫星通信网络 的综合系统)等，可以单网运行，也可以多

12、网并行并实现互连互通。为此，移动 通信网络必须具备很强的管理和控制功能，诸如用户的登记和定位，通信(呼叫) 链路的建立和拆除，信道的分配和管理， 通信的计费、鉴权、安全和保密管理 以及用户过境切换和漫游的控制等。 5. 移动通信设备 (主要是移动台) 必须适于在移动环境中使用 对对手机的主要要求是体积小、重量轻、省电、操作简单和携带方便。 车载台 和机载台除要求操作简单和维修方便外， 还应保证在震动、冲击、高低温变化 等恶劣环境中正常工作。 1.1.2 移动系统的组成和技术的发展 常用的移动通信系统主要有四类：蜂窝移动通信系统、集群移动通信系统、 无绳电话系统及无线寻呼系统，它们的功能及应用场

13、合各不相同，但它们的基本 原理及技术是相同的。一般由移动终端（移动台） 、基地站 、移动业务交换 中心以及市话网相连接的中继线等组成。大容量移动通信系统可以由很多基站， 甚至分布全国，构成移动通信网。小容量移动通信系统可以只有一、二个基站， 用户数量较少。 随着我国国民经济的快速发展，人民物质和精神生活质 t 的提高，我们国家 从用户数 t 和网络规模上看已成为名副其实的第一通信大国。其中移动通信的发 展速度极快.70 年代频率复用和小区切换技术的发现，使得移动通信系统得以大 规模使用，此时移动通信系统既为我们今天所谓的第一代移动通信系统(其典型代 表为 MAPS、ACS 等)。限于当时的技术

14、条件，第一代移动通信多址方式均采用 FD 拟，语音调制为模拟调频，信令调制为 FKS 一类的简单数字调制技术。由于 模拟调制的频谱利用率低，抗干扰性能差，因而系统容量有限，业务质量远远逊 于有线通信系统。各个国家接口均采用不同的标准，各个厂家各行其是，不同厂 家的设备根本无法互连。当时所用的天线为全向和定向，适用于全向和分区覆盖 技术上主要是阵子型天线及其阵列天线。 第二代移动通信系统出现于通信数字化的 80 年代末和 90 年代初，它基本采 用了当时通信和信号处理的最新技术。多址方式采用 TD 拟(GSM 系统)或窄带 Dc 以(15 一 95)技术，空中接口采用数字调制技术和先进的自适应均

15、衡(TD 以)、 Rkae 接口技术(CD 撇)，从而使系统容量远高于第一代移动通讯系统。业务质 t 与 有线通信系统相当，业务种类上也从单一话音转变到可以提供话音，中低速数据 第 1 章 引言 3 业务。在接口规范的制定上充分考虑了国际漫游的需要，形成了同一的区域性的 国际标准，同时也规定了明确的网络结构和系统接口标准，使不同厂商间设备的 互连变得简单易行。此时已经逐步地广泛地使用微带和贴片为核心的单极化天线、 波束赋形基站天线、变倾角基站天线及双频双极化等新技术。 第三代移动通信系统是工作于 ZGHz 频段的移动通信系统，它区别于第一代 和第二代移动通信系统的主要特点可以简单概括为:全球无

16、隙漫游;具有支持信息 速率商达 2 场 it/s 的多媒体业务的能力，特别是支持 Iternet 业务;便于过渡、演进; 更高的频率效率、更低的电磁辐射、更好的服务质 t 等。第三代移动通信系统多 址方式的主流是宽带 CD 狱技术，在空中接口和核心网上有几乎集中了当今通信 与信息处理领域的所有最新技术。在核心网上使用电信网络和计算机网络的最新 技术ATM 和移动 PI，实现了话音、电路交换和分组交换数据的多媒体传输， 是移动用户可以方便灵活地接入到电信和 Internet:在终端和无限接入网上使用了 信息处理领域最近几年发展的智能天线、多用户检测、Turb。编码、软件无线电 等新技术.这些新技

17、术的使用极大地增加了系统容 t，改善了传输质 t，降低了功耗 和干扰，是第三代移动通信系统可以在复杂的传输环境中提供比第二代移动通信 系统更大的系统容 t 和更高的服务质量.同时第三代移动通信系统融入了先进的终 端技术、朝大规模集成电路设计技术、嵌入式实时多任务软件技术、微波与电磁 场技术等多种技术，充分体现了今后移动通信系统技术的发展趋势，即多种学科、 多项技术的相互融合与渗透。 移动通信的多址方式主要有 FDMA、TDMA、CDMA 三大类。FDMA 系统 一般为模拟移动通信制式，TDMA 及 CDMA 为数字移动通信制式。FDMA 发展 早，已成功应用于各种移动通信系统多年，目前在一些领

18、域仍在广泛应用。数字 移动通信是在模拟移动通信基础上发展、演化而来的，在网络组成、设备配置、 系统功能和工作方式上二者都有许多相同之处。2 1.2 移动通信系统基站天线 1.2.1 蜂窝移动通信技术的发展情况 60 年代末，美国贝尔实验室等单位提出了蜂窝系统的概念和理论，到了 70 年代末和 80 年代初，世界上才出现了美国、日本和斯堪的纳维亚地区的三个蜂 窝移动通信系统。此后，从 1980 年开始，蜂窝移动通信网历经大约 10 年时间的 电子科技大学学士学位论文 4 发展，是一种采用 FDMA(即频分多址靠频率的不同来区别不同的用户)标准的模 拟蜂窝移动通信系统，主要以通话业务为主，如欧洲与

19、我国的 900MHzTACS 系 统和美国的 800MHzAMPS 系统。从 1990 年到 2000 年的 10 年期间，这时期引入数 字通信技术并实现了地区标准化(即制定了模拟/数字兼容的数字蜂窝标 准)，它是一种采用 TDMA(既时分多址靠极其微小的时差来区别不同的用户， 在 900MHz 频谱普遍运用的 GSM 系统一一 Globals”temforMobileCoications 即全球 通系统就属于此系统)、CDMA(即码分多址靠编码的不同来区别不同的用户，其 编码有 4.4 亿种数字排列，且编码还随时变化，其重码的概率是“二百年一遇” ， 如北美的 N 一 CDMA 系统)等两种

20、不同的无线空中接口方式的数字蜂窝移动通信系 统，它增加了数据通信业务的传输，采用话音压缩编 码技术，使整个系统实现了数字化。现在采用的 13KbPs 的话音编码技术，其质 量已经达到了相当满意的程度。最近发展起来的个人通信系统 PCS 其速率可达到 ZM，它是 21 世纪的移动通信方式，以增加高速数据业务和图像业务的多媒体通 信为主要目标，在 21 世纪的一开始就将带动世界移动市场新一轮的发展。它要 达到的目标是实现人类的理想通信，即“任何人可以在任何时间、任何地点、向 任何人提供通信服务” ， 如标准正日趋统一成熟的 IMT2000 系统(即 International Mobile Tel

21、eeonununieation2000)，它取意于工作在 2000MHz 频段、在 2000 年左右 投入商用的全球移动通信系统。IMTZ000 的目标是:全球无缝覆盖;实现高服务质 量、高保密性能和高频谱效率;提供多媒体业务，实现车速环境 144Kbi 决速率， 步行环境 384Kbi 灯 s 速率，室内环境 ZMbi 吮速率的无线多媒体通信。可以预料， 数字蜂窝移动通信网将和其它通信网一起受到个人通信网的导向而得到迅速发展。 2 1.2.2 蜂窝系统中的基站天线 一个蜂窝系统通过许多蜂窝的组合为地球上某一片区域的人们提供服务。每 个蜂窝的覆盖区域及其形状是由基站天线的辐射波瓣和输出功率决定

22、的。基站天 线可供设计的参数是天线的垂直面波瓣和水平面波瓣，垂直面波瓣是通过阵列天 线来实现的，而水平面波瓣则由所采用的天线单元样式和相应的反射板决定。 在当前的蜂窝系统中，为了增加系统的容量，一般采取覆盖区域半径为 1.5km 的小型蜂窝。在频分多址（FDMA, frequency division multiple access）和时 分多址（TDMA , time division multiple access）系统中，临近的两个蜂窝采用相同 第 1 章 引言 5 的频带，由于频带相同而引起的两蜂窝间的干扰可以通过天线的垂直面波瓣得到 抑制。为了给垂直面波瓣赋形，蜂窝在水平面内可以分为

23、几个扇区以抑制移动端 间的干扰。FDMA/TDMA 系统在相邻的扇区采用不同的频带，而在 CDMA(code division multiple access ,码分多址)系统中，所有扇区采用同一频带。从增加用户 容量的角度考虑，CDMA 系统采取分扇区赋形波瓣也是很重要的。 由于在每个扇区里，CIR 值会随着移动用户数量的增加而恶化，因而，用户 总数就受限于基站的辐射波瓣宽度。这一点通常通过在水平面内对波瓣分扇区设 计来实现。在郊区，采用全向天线来拓宽覆盖区域。水平面的波瓣形状由天线单 元来决定，反射板和附加于天线单元上的寄生单元也会影响扇区波瓣的形状。限 制主瓣覆盖区域的第二类技术是在垂直

24、面内倾斜波束，使波束的最大指向偏离水 平轴。实现波束倾斜有两类方法：（1）天线的机械倾斜；（2）通过调整天线不 同单元间的相对相位实现电倾斜。 由于筑物和其他障碍物的多次反射引起的衰落现象，使得基站天线的上行链 路信号电平起伏较大。在基站中，采用分集接收技术可以增强上行链路信号的电 平，从而减少多径衰落的影响。尽管基站在水平面采用分扇区设计技术本身就是 一类天线方向分集系统，许多基站还是采用另外一只天线实现空间分集。通常采 用极化分集技术以减少一个基站中使用天线的数目，因为在极化分集系统中，另 一副接收天线可以和收发共用天线安装在同一位置上。 一副基站天线的主要组成部分包括：天线单元、馈电网络

25、和移相器。在覆盖 区域半径为 1km5km 的宏蜂窝系统中，通常采用增益具有 10dBi 至 20dBi 的天 线。这么高的增益只有采用阵列结构才能获得。对于边射阵而言，最简单的阵列 结构是采用等幅、同相电压激励，然而，如果需要在垂直面实现波束倾斜，就必 须调整每个单元的相位。这一节主要介绍了日本目前用于蜂窝基站的一些基本天 线，一些实际应用的双频段天线和用于 IMT2000 系统（处于引入阶段）的三频 段天线单元。三频段天线能工作在三个频段，分别为 900MHz、1.5GHz 和 2GHz。 同时，这一节也讨论了馈电网络电路、可变移相器的设计和应用以及无源交调问 题。 蜂窝系统中基站天线最常

26、采用的天线形式是印制振子天线，此类半波振子天 线在驻波比（VSWR, voltage standing wave ratio）小于 2.0 时有大于 15的 频带宽度。通过在天线的下方加反射板的办法可以把振子天线的 H 面全向方向图 压制成一个扇区波瓣形状。在垂直面内组阵时，天线的馈电网络由微带线组成。 电子科技大学学士学位论文 6 由于馈电网络的微带线是非平衡结构，而天线需要平衡馈电，因而在微带线和天 线之间应引入一个非平衡平衡变换装置（巴伦） 。天线为了适合批量生产，平 衡巴伦与天线振子采用一体化设计技术。 印制振子天线安装在一块反射板上可以在水平面方向形成一个扇区波瓣。反 射板的形状主要

27、用来调整水平面波瓣宽度。在日本的个人数字蜂窝系统（PDC） 中，天线的水平面半功率波瓣宽度为 120或 90。60波瓣宽度的天线用于 IMT2000。宽的频带不只是对输入阻抗特性而言，同时要求水平面的方向图也 要有好的宽带性能，附加于印制振子天线上的寄生单元可使水平面的辐射方向图 在频带内保持一致，其结构见图 11.32。 如果要求更窄的波瓣宽度，可以采用两个天线单元组合的方式。微带天线的 半功率波瓣宽度小于 90。微带天线的缺点是它的频带窄。对一个微带天线而言， 如果基板的厚度在 0.8mm3.2mm 之间，其带宽约为 23，而在蜂窝系统中 用于分集接收的天线要求具有 813的带宽。为了展宽

28、微带天线的频带，可 以采取在辐射单元上方加寄生单元的方法，如图 11.4 所示。 蜂窝系统中主要采用垂直极化，然而水平极化和45斜极化常用于极化分 集系统。一种印制双振子天线既用于垂直极化分集系统又用于水平极化分集系统。 图 11.5 所示是一种用于斜极化分集系统的交叉缝耦合印制天线。 全向天线用于用户相对较少的市郊。要求增益较低时，天线采用套筒振子形 式；要求增益较高时，天线采用共线阵列形式。设计阵列时，从结构简单化的角 度考虑，单元可以采用这样一种形式：对于全向天线，在基板上蚀刻一条一个波 长的槽，示意图见图 11.63。为了获得宽频带特性，可以把单元嵌入一个导体 圆柱面中，这时候，导体圆

29、柱面起着寄生单元的作用。3 1.2.3 板状天线的发展 板状天线是由微带天线发展而来，微带天线是在带有导体接地板的介质基 片 上刻蚀成的导体薄片而形成的天线，是当今较为流行的一种天线形式。矩形微带 贴片是微带贴片天线中最基本的单元。为了得到合适的发射功率、极化形式以及 其他能够在整个频带内满足要求的属性，其形状、质量、馈源的位置以及平坦辐 射单元的介质基片都会被优化。最常用的贴片天线形状是矩形和圆形，而最常用 的馈电形式有边缘馈电、同轴馈电、强偶合以及开缝和口径偶合。早在 1953 年 第 1 章 引言 7 德尚教授就已提出利用微带线的辐射来制成徽带微波天线的概念。但是在随后的 近 20 年里

30、，对此只有一些零星的研究.直到 1972 年，由于微波集成技术的发展， 和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森和豪威尔等研究者制成了第一批实用 微带天线.随之，国际上展开了对微带天线的广泛的研究和应用.1979 年在美国新 墨西哥州大学举行了微带天专题会议，1981 年 IEEE 天线与传播会刊在 1 月号上 刊载了微带天线专辑。微带天线已成为天线领域中的一个专门分支。从此以后微 带天线引起了广泛的重视与研究，各种形状的微带天线已在卫星通信、多普勒雷 达及其他雷达导弹遥测技术以及生物工程等领域得到了广泛的应用。与普通天线 相比，微带天线具有如下优点:剖面薄，体积小，重量轻;具有平面结构，并可制

31、 成与导弹、卫星等载体表面共形的结构;馈电网络可与天线结构一起制成，适合于 用印刷电路技术大批生产;能与有源器件和电路集成为单一的模件;便于实现圆极 化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。微带天线的主要缺点是:频带窄;有 导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低;功率容量较小，一般用 于中、小功率场合;性能受基片材料影响大.通常，一个典型的微带天线的频带只 有百分之几。为了拓宽微带天线的频带，已经提出了一些具有实际意义的方法。 如使用 U 型开槽贴片和厚基板.通过使用探针馈电的 U 型开槽贴片，可以使得天 线的典型带宽达到 30%。另外一种方法就是使用 Pozar 在 1985 年

32、提出的祸合技术， 这种方法的缺点就是有相对较高的后瓣.使用这种方法进行馈电的单层贴片具有 22%的典型带宽，双层贴片具有 37%的典型带宽.Pozar 和 Kajfnaln 在 1987 年提出 了临近祸合技术以减小后瓣。这种技术是通过在馈电线上增加一个匹配电阻棒实 现的，使用这种技术，可以达到 13%的典型带宽:若使用带固体功率放大器的有源 微带子阵来组阵，可获得相当大的总辐射功率。最近，通过使用 L 型探针来扩展 频带的新方法引起了各方的广泛注意。因为通过使用同轴电缆对 L 型探针进行馈 电的贴片天线，不仅具有微带天线的优点，可使带宽达到 18.5%。双层贴片能使 带宽达到 30%，但是多

33、层天线的几何尺寸天线的技术可使带宽达到 35%.这就是微 带天线所用的探针贴片技术。习惯上把这种天线称为板状天线。4 近年来，国 外也已有学者对基站天线中的反射板问题作过研究。Ebine5分析了多种反射板 的形状，得到了单频基站天线最佳的反射板尺寸，Olver6等也对角反射器形状 进行了研究，但这都是在单个振子辐射的情况下得到的。 电子科技大学学士学位论文 8 1.3 工作任务 设计一付用于移动通信基站的天线，达到如下指标： 1、.垂直极化，水平波瓣宽度为 120 2.、频率 935MHz960MHz。VSWR2 3、.增益10dBi 并完成天线的机械加工图，总结波瓣宽度变化的设计规律。 第

34、2 章 板状天线基本原理及分析 9 第 2 章 板状天线基本原理及分析 2.1 板状天线基本原理 板状天线的基本知识： 无论是 GSM 还是 CDMA， 板状天线是用得最为普遍的一类极为重要的基站天线。 这种天线的优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制 方便、密封性能可靠以及使用寿命长。 板状天线也常常被用作为直放站的用户天 线，根据作用扇形区的范围大小，应选择相应的天线型号。 图 2-1 板状天线的基本形式 如图所示，板状天线是在阵列天线或者天线单元的下方加上一块反射板，使 波束往前方发射，利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 ，平面反射板放在阵列 的一边构成扇形区覆盖天

35、线。下面的图 22 说明了反射面的作用，反射面把功 率反射到单侧方向，提高了增益。 天线的基本知识全向阵 （垂直阵列 不带平面 反射板） 。抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把 能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构 成包括两个基本要素：抛物反射面和 放置在抛物面焦点上的辐射源，基站天线可 供设计的参数是天线的垂直波瓣和水平波瓣，垂直波瓣是通过阵列天线来实现的， 而水平波瓣是由所采用的天线单元样式和相应的反射板所决定。 电子科技大学学士学位论文 10 图 2-2 水平面方向图 板状天线高增益的形成： 1.采用多个半波振子排成一个垂直放置的

36、直线阵，如图 2-3 图 2-3 直线阵的方向和模型 2.在直线阵的一侧加一块反射板 （以带反射板的二半波振子垂直阵为例） ，如图 2-4 第 2 章 板状天线基本原理及分析 11 图 2-4 带反射板直线阵的方向和模型 板状天线是由徽带天线发展而来。天线单元可以选择半波振子和微带天线元，微 带天线是当今天线技术的发展趋势,将微带天线用于移动通信系统是非常有意义的。 因此本文选择微带天线作为天线元，而采用单片微带天线很难达到系统所要求的 增益等指标,故本文采用线阵作为天线阵列中的阵列单元。 2.1.1 反射板的形状 基站天线的辐射单元有对称振子、印刷偶极子和微带天线等。为简化分析模 型，这里以

37、对称振子加反射板为例进行分析，其中反射板的横截面形状如图 2.1 所示。对称振子的谐振频率约为 GSM 通信中的 1.gGHz。振子天线与反射板间的距 离均设为。常见的几种反射板形状(如图 2-5 所示)包括矩形平板，角形反射/ 4 板，带侧边缘的矩形平板，变形角形反射板，带侧边缘的变形角形反射板等。通 过改变每种反射板结构的尺寸参数，可以得到所需的天线水平面辐射方向图和最 优的前后比特性，其中前后比特性即后向士 300 之间的方向特性。7 电子科技大学学士学位论文 12 图 2-5 基站天线几种发射板形状 2.1.2 蜂窝基站天线单元 蜂窝系统中基站天线最常采用的天线形式是印制振子天线，此类

38、半波振子天 线在驻波比（VSWR, voltage standing wave ratio）小于 2.0 时有大于 15的 频带宽度。通过在天线的下方加反射板的办法可以把振子天线的 H 面全向方向图 压制成一个扇区波瓣形状。在垂直面内组阵时，天线的馈电网络由微带线组成。 由于馈电网络的微带线是非平衡结构，而天线需要平衡馈电，因而在微带线和天 线之间应引入一个非平衡平衡变换装置（巴伦） 。天线为了适合批量生产，平 衡巴伦与天线振子采用一体化设计技术。 印制振子天线安装在一块反射板上可以在水平面方向形成一个扇区波瓣。反 射板的形状主要用来调整水平面波瓣宽度。在日本的个人数字蜂窝系统（PDC） 中，

39、天线的水平面半功率波瓣宽度为 120或 90。60波瓣宽度的天线用于 IMT2000。宽的频带不只是对输入阻抗特性而言，同时要求水平面的方向图也 要有好的宽带性能，附加于印制振子天线上的寄生单元可使水平面的辐射方向图 在频带内保持一致。 如果要求更窄的波瓣宽度，可以采用两个天线单元组合的方式。微带天线的 半功率波瓣宽度小于 90。微带天线的缺点是它的频带窄。对一个微带天线而言， 如果基板的厚度在 0.8mm3.2mm 之间，其带宽约为 23，而在蜂窝系统中 第 2 章 板状天线基本原理及分析 13 用于分集接收的天线要求具有 813的带宽。为了展宽微带天线的频带，可 以采取在辐射单元上方加寄生

40、单元的方法。 蜂窝系统中主要采用垂直极化，然而水平极化和45斜极化常用于极化分 集系统。一种印制双振子天线既用于垂直极化分集系统又用于水平极化分集系统。 全向天线用于用户相对较少的市郊。要求增益较低时，天线采用套筒振子形 式；要求增益较高时，天线采用共线阵列形式。设计阵列时，从结构简单化的角 度考虑，单元可以采用这样一种形式：对于全向天线，在基板上蚀刻一条一个波 长的槽。为了获得宽频带特性，可以把单元嵌入一个导体圆柱面中，这时候，导 体圆柱面起着寄生单元的作用。3 2.2 微带天线概述 对于阵列天线而言，可作为阵列天线阵元的单元天线有很多种如振子天线 、环天线、缝隙天线、螺旋天线、背射天线等。

41、结合我们近年来实验室的科研项 目和实验研究。单元天线主要选取了微带天线、振子天线、背射天线作为天线阵 元进行组阵研究。重点的研究对象为微带天线。因为微带天线固有的特点，它很 适合进行天线组阵的研究。在天线组阵中，目前己有本实验室研制的圆环背射天 线的二元阵列投入工程应用，并有相应产品面世。但主要的研究方向还是集中于 微带天线的组阵方案，现对微带天线进行理论和实验的分析。微带辐射器的概念 首先是 DeshcmaPs 在 1953 年提出的。但是过了二十年，当较好的理论模型及对 敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后，实际的天线才制造出来。这种基片 介电常数范围较宽，具有吸热特性和机械特性及低损耗

42、角正切。最早的实际的微 带天线是 Howen 和 Munsno 在二十世纪七十年代初期研制成的。在此之后，由于 微带天线的许多优点，诸如重量轻、体积小、成本低，平面结构可以和集成电路 兼容等，微带天线得到了广泛的研究和发展，从而使微带天线获得了多种应用， 并且在微波天线中作为一个分立领域获得了很大的发展。目前，已研制成了各种 类型平面结构的印制天线，例如，微带天线、带线缝隙天线、背腔印制天线以及 印制偶极子天线。而一般所指的微带天线，可分为三种基本类型:微带贴片天线、 微带行波天线、微带缝隙天线。它们的辐射机理是由微带贴片、或准 TEM 模传 输线、或开在地板上的缝隙产生辐射。同常规的微波天线

43、相比，微带天线具有一 些优点。因而，在大约 10OMHz 到 50GHz 的宽频带上获得了大量的应用。与通 电子科技大学学士学位论文 14 常的微彼天线相比，微带天线具有很多优点： 1.重量轻、体积小、剖面薄的平面结构，可以做成共形天线； 2.制造成本低，易于大量生产； 3.可以做得很薄，因此，不扰动装载的宇宙飞船等飞行器的空气动力学性能； 4.无需作大的变动，天线就很容易地装在导弹、火箭和卫星上; 5.天线的散射截面较小； 6.稍微改变馈电位置就可获得线极化和圆极化(左旋和右旋); 7.不需要背腔，微带天线适合于组合式设计(固体器件如振荡器、放大器、可变衰 减器、开关、调制器、混频器、移相器

44、等可以直接加到天线基片上。微带天线 与通常的微波天线相比，也有一些缺点: 1.频带窄; 2.有损耗，因而增益较低; 3.大多数微带天线只向半空间辐射; 4.最大增益实际上受限制(约为 20dB); 5.馈线与辐射元之间的隔离差; 6.端射性能差; 7.可能存在表面波，功率容量较低。 但是，采取一些办法可减少某些缺点，例如，只要在设计和制造过程中特别 注意就可抑制或消除表面波。在实际应用中，微带天线的优点远远超过它的缺点。 微带天线已广泛应用于各个领域，其主要应用范围如下:卫星通信、多普勒及其 它雷达、无线电测高计、指挥和控制系统、导弹遥测、武器信管、便携装置、环 境检测仪表和遥感、复杂天线中的

45、馈电单元、卫星导航接收机、生物医学辐射器 等。但在目前，由于无线通信的飞速发展，微带天线在无线通信中已获得广泛应 用，它还将继续在无线通信中发挥重要的作用，而且将进一步扩大其应用领域 2.2.1 微带天线的辐射机理 微带天线的辐射可以用图 2-6（a）所示的简单情况来说明。 第 2 章 板状天线基本原理及分析 15 图 2-6(a) 矩形微带贴片天线 (b)侧视图 (c)顶视图 这是一个一个矩形微带贴片，与地板相距几分之一波长。假定电场沿微带结 构的宽度和厚度方向没有变化，则辐射器的电场结构可由图 2-6(b)表示，电场仅 沿约为半波长的贴片长度方向变化。辐射基片上是由贴片开路边沿的边缘场引起

46、 的。在两端的场相对于地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长为半波 长，所以法向分量反相，由它们产生的远区场在正面方向上互相抵消。平行于地 板的切向分量同相，因此，合成场增强，从而使垂直于结构表面的方向，上辐射 场最强。所以，贴片可表示为相距半波长、同相激励并向地板以上空间辐射的两 个缝隙图 2-6(c)。也可以考虑电场沿贴片宽度的变化。这时微带贴片天线可以用 贴片周围的四个缝隙来表示。同样，其它微带天线结构也可用等效的缝隙来表示。 2.2.2 微带天线的馈电方法 大多数微带天线只在介质基片的一面上有辐射单元，因此，可以用微带天线 或同轴线馈电。因为天线输入阻抗不等于通常的 50传输线阻

47、抗，所以需要匹配。 匹配可由适当地选取馈电的位置来做到。但是，馈电的位置也影响辐射特性。因 此，可用格林函数法来确定微带线馈电和同轴馈电位置的影响。 1.微带线馈电 微带馈电分为中心微带馈电和偏心微带馈电结构示于。馈电点的位置也决定激励 哪种模式。当天线元的尺寸确定后可按下法进行匹配：先将中心馈电天线的贴片 同 50的馈线一起光刻，测量输入阻抗并设计出匹配变阻器；再在天线元与馈线 之间接入该匹配变阻器，重新作成天线。另外，如果天线的几何图形只维持主模， 则微带馈线可偏向一边以得到良好的匹配。特定的天线模可用许多方法激励。如 果场沿矩形贴片的宽度变化，则当馈线沿宽度变化时，输入阻抗随之改变，从而

48、 电子科技大学学士学位论文 16 提供了一种阻抗匹配的简单方法。馈电位置的改变，使得馈线和天线之间的耦合 改变，因而使谐振频率产生一个小的漂移，而辐射方向图仍然保持不变。不过稍 加改变贴片尺寸或天线尺寸，可补偿谐振频率的漂移。 2. 同轴线馈电 同轴馈电可以有中心、偏心、任意位置馈电。在所有情况中，同轴插座安装在印 刷电路的背面，而同轴线内的位置可由经验去找，以便产生最好的匹配。这种馈 源的理论模型，可表示为 z 向电流圆柱和接地板上同轴开口处的小磁流环。其简 化处理是略去磁流的作用，并用中心位于圆柱中心轴的电流片来等效电流柱。一 中更严格的处理，是把接地板上的同轴开口作为传 TEM 波的激励

49、源，而把圆柱 探针的效应按边界条件来处理。 微带辐射器的输入阻抗或输入导纳是一个基本参数。因此应精确知道输入导纳， 以便在单元和馈线之间做到良好的匹配。8 3. 微带缝隙馈电 微带缝隙馈电馈电方式如图 2-7： 图 2-7 微带缝隙馈点 2.3 矩形微带天线及其分析方法 最简单的微带贴片结构是矩形微带天线，如图 2-8 所示。其基本天线元是薄 介质基片上的带状导体，介质基片的背面是地板。由于这种天线结构简单，因而 成为大量研究论文的课题，并且作了许多努力来预计和计算矩形微带天线的辐射 特性。它们从复杂的数学表达式到简单的模型，现已证明，这些数学表示式和模 型已经足够了，但还不能得到精确解。 第 2 章 板状天线基本原理及分析 17 图 2-8 矩形微带贴片天线 微带贴片辐射器的特性可由辐射方向图、输入阻抗、增益、带宽、波瓣宽度 、效率、损耗和 Q 因数来表征。因而，虽然方法很多，但是，就设计成本和性能 推算而论，有一个最佳方法，既可以用简单的表示式推算天线参数并与实验得到 的结果相一致。下面将介绍腔体模型和传输线模型。 2.3.1 腔体模型理论 图 2-9 空腔模型几何关系 如图 2-9 所示微带贴片天线微带片和