[信息與通信]微波_天線論文

1、工學(xué)院課程考核論文課程名稱：微波技術(shù)與天線題目：微波與天線專業(yè)：電子信息工程班級：零八級一班姓名:李亮亮學(xué)號：1665080115任課教師：張平娟本論文介紹了蜂窩移動通信中基站天線技術(shù)的研究進展，并對移動通信系統(tǒng) 及基站天線進行詳細(xì)的闡述。由于微帶天線具有重量輕、低剖面、成本低、易于制造、封裝和安裝等許多 固有的優(yōu)點，本文選用微帶貼片天線作為天線單元。首先采用傳輸線法和腔模理 論對矩形微帶天線進行分析，計算出矩形貼片的長，寬，并選擇基板材料和高度。 然后針對設(shè)計指標(biāo)詳細(xì)討論了各種因素對微帶貼片天線性能的影響，用背饋的方 式完成了微帶貼片天線單元的設(shè)計方案，從而簡化饋電網(wǎng)絡(luò)。為了達到帶寬，增益以

2、及方向圖等任務(wù)指標(biāo)，需要通過組陣?？紤]到天線面 積和實際應(yīng)用的問題，采用4片等幅同相的矩形貼片構(gòu)成一個4元直線陣列，并 對線陣進行同相饋屯，用hfss軟件對其進行優(yōu)化與仿真。最后在天線陣后面選擇反射板，使天線波束往前發(fā)射，畫出機械加工圖，并討 論和總結(jié)波瓣寬度的規(guī)律。關(guān)鍵詞：移動通信 基站天線 定向天線 微帶天線 陣列第1章引言11.1移動通信概述11.1.1移動通信的特點11.1. 2移動系統(tǒng)的組成和技術(shù)的發(fā)展21.2移動通信系統(tǒng)基站天線31. 2.1蜂窩移動通信技術(shù)的發(fā)展情況31.2.2蜂窩系統(tǒng)中的基站天線41.2.3板狀天線的發(fā)展61.3工作任務(wù)7第2章 板狀天線基木原理及分析92.1板

3、狀天線基木原理92. 1. 1反射板的形狀112. 1.2蜂窩基站天線單元122.2微帶天線概述132. 2. 1微帶天線的輻射機理142. 2.2微帶天線的饋電方法152.3矩形微帶天線及其分析方法162. 3. 1腔體模型理論172. 3. 2傳輸線模型理論192. 3. 3矩形微帶天線的性能分析212. 4基站天線的改善技術(shù)23第3章 陣列天線單元的性能分析253.1矩形微帶天線單元的設(shè)計253. 1. 1基板材料和貼片尺寸的選擇253. 1. 2單元的增益和方向圖26第4章 線陣列天線的設(shè)計與仿真304. 1陣列天線304. 1. 1陣列天線的饋電304. 1.2直線陣列分析314.2

4、單元天線組成線陣的設(shè)計364.2. 1貼片間距的選擇404. 2. 2陣的仿真與測試404.3天線性能分析與波瓣寬度的設(shè)計規(guī)律43結(jié)束語48參考文獻48第1章引言1.1移動通信概述1.1.1移動通信的特點移動通信是指通信的雙方，或者至少有一方在運動狀態(tài)屮進行信息傳遞的通 信方式，它使人們能夠隨時隨地、及時可靠、不受時空限制地進行信息交流，其 優(yōu)越性是固定電話無法比擬的。從20世紀(jì)20年代美國底特律市警察使用的車載 無線電系統(tǒng)問世以來，移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了第一代的模擬頻分系統(tǒng)（如amps、 tacs）,目前廣泛應(yīng)用的第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)（如gsm、cdma）,即將投入商用的第 三代移動通信系統(tǒng)tmt

5、-2000,和正在開展廣泛研究的第四代移動通信系統(tǒng)。移動 通信系統(tǒng)的容量在不斷提高，業(yè)務(wù)種類也越來越豐富。移動通信的特點：1. 移動中通信移動通信靈活機動，能隨時隨地地進行通信，這是移動通信的最大特點，也是移 動通信得到廣泛應(yīng)用的原因。2. 屯波傳輸復(fù)雜信道傳輸特性不僅十分復(fù)雜，而且很不穩(wěn)定。因移動臺的不斷運動而導(dǎo)致接收到 的信號幅度和相位將隨時間、地點而不斷變化。尤其是陸地移動通信遭受地形、 地物的影響極犬。此外多徑道傳播造成的衰落，建筑物阻擋造成的陰影效應(yīng)（即 陰影衰減）和運動產(chǎn)生的多普勒頻移動等，均導(dǎo)致接收信號極不穩(wěn)定。另一方面, 移動臺的工作環(huán)境是處于實況變化屮的，它所受到的外部噪聲和

6、干擾情況也是不 斷變化的，如汽車的火花噪聲干擾、鄰道干擾、互調(diào)干擾和同頻道干擾等。3. 移動通信可以利用的頻譜資源非常有限，而而移動通信業(yè)務(wù)量的需求卻與口俱 增。如何提高通信系統(tǒng)的通信容量，始終是移動通信發(fā)展中的焦點。為了解決這一矛 盾，一方面要開辟和啟用新的頻段；另一方面要研究各種新技術(shù)和新措施，以壓 縮信號所占的頻帶寬度和提高頻譜利用率。4. 移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣，網(wǎng)絡(luò)管理和控制必須有效根據(jù)通信地區(qū)的不同需要，移動通信網(wǎng)絡(luò)可以組成帶狀（如鐵路公路沿線）、面狀 （如覆蓋一城市或地區(qū)）或立體狀（如地面通信設(shè)施與中、低軌道衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的綜 合系統(tǒng)）等，可以單網(wǎng)運行，也可以多網(wǎng)并行并實現(xiàn)

7、互連互通。為此，移動通信網(wǎng) 絡(luò)必須具備很強的管理和控制功能，諸如用戶的登記和定位，通信（呼叫）鏈路的 建立和拆除，信道的分配和管理，通信的計費、鑒權(quán)、安全和保密管理以及用戶 過境切換和漫游的控制等。5. 移動通信設(shè)備（主要是移動臺）必須適于在移動環(huán)境中使用 對對手機的主要要求是體積小、重量輕、省電、操作簡單和攜帶方便。車載臺和 機載臺除要求操作簡單和維修方便外，還應(yīng)保證在震動、沖擊、高低溫變化等惡 劣環(huán)境中正常工作。1.1.2移動系統(tǒng)的組成和技術(shù)的發(fā)展常用的移動通信系統(tǒng)主要有四類：蜂貫移動通信系統(tǒng)、集群移動通信系統(tǒng)、 無繩電話系統(tǒng)及無線尋呼系統(tǒng)，它們的功能及應(yīng)用場合各不相同，但它們的基木 原理

8、及技術(shù)是相同的。一般由移動終端（移動臺）、基地站、移動業(yè)務(wù)交換中 心以及市話網(wǎng)相連接的中繼線等組成。大容量移動通信系統(tǒng)可以由很多基站，甚 至分布全國，構(gòu)成移動通信網(wǎng)。小容量移動通信系統(tǒng)可以只有一、二個基站，用 戶數(shù)量較少。隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民物質(zhì)和精神?；钯|(zhì)t的提高，我們國家從 用戶數(shù)t和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模上看已成為名副其實的第一通信大國。其中移動通信的發(fā)展速 度極快.70年代頻率復(fù)用和小區(qū)切換技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，使得移動通信系統(tǒng)得以大規(guī)模使 用，此時移動通信系統(tǒng)既為我們今天所謂的第一代移動通信系統(tǒng)（其典型代表為 maps、acs等）。限于當(dāng)時的技術(shù)條件，第一代移動通信多址方式均采用fd擬, 語音調(diào)

9、制為模擬調(diào)頻，信令調(diào)制為fks-類的簡單數(shù)字調(diào)制技術(shù)。由于模擬調(diào)制 的頻譜利用率低，抗干擾性能差，因而系統(tǒng)容量有限，業(yè)務(wù)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)遜于有線通 信系統(tǒng)。各個國家接口均采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，各個廠家各行其是，不同廠家的設(shè)備 根木無法互連。當(dāng)時所用的天線為全向和定向，適用于全向和分區(qū)覆蓋技術(shù)上主 要是陣子型天線及其陣列天線。第二代移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)于通信數(shù)字化的80年代末和90年代初，它基木采 用了當(dāng)時通信和信號處理的最新技術(shù)。多址方式采用td擬（gsm系統(tǒng)）或窄帶de 以（15-95）技術(shù)，空中接口采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)和先進的自適應(yīng)均衡（td以）、rkae 接口技術(shù)（cd撇），從而使系統(tǒng)容量遠(yuǎn)高于第一代移動通訊

10、系統(tǒng)。業(yè)務(wù)質(zhì)t與有線 通信系統(tǒng)相當(dāng)，業(yè)務(wù)種類上也從單一話音轉(zhuǎn)變到可以提供話音，中低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 在接口規(guī)范的制定上充分考慮了國際漫游的需要，形成了同一的區(qū)域性的國際標(biāo) 準(zhǔn)，同時也規(guī)定了明確的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，使不同廠商間設(shè)備的互連變 得簡單易行。此吋已經(jīng)逐步地廣泛地使用微帶和貼片為核心的單極化天線、波束 賦形基站天線、變傾角基站天線及雙頻雙極化等新技術(shù)。第三代移動通信系統(tǒng)是工作于zghz頻段的移動通信系統(tǒng)，它區(qū)別于第一代 和第二代移動通信系統(tǒng)的主要特點可以簡單概括為:全球無隙漫游;具有支持信息 速率商達2場it/s的多媒體業(yè)務(wù)的能力，特別是支持iternet業(yè)務(wù);便于過渡、演進; 更高的

11、頻率效率、更低的電磁輻射、更好的服務(wù)質(zhì)t等。第三代移動通信系統(tǒng)多址 方式的主流是寬帶cd獄技術(shù)，在空中接口和核心網(wǎng)上有幾乎集中了當(dāng)今通信與信 息處理領(lǐng)域的所有最新技術(shù)。在核心網(wǎng)上使用電信網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù) -atm和移動pi,實現(xiàn)了話咅、電路交換和分組交換數(shù)據(jù)的多媒體傳輸，是移動 用戶可以方便靈活地接入到電信和internet:在終端和無限接入網(wǎng)上使用了信息處 理領(lǐng)域最近幾年發(fā)展的智能天線、多用戶檢測、turbo編碼、軟件無線電等新技術(shù). 這些新技術(shù)的使用極大地增加了系統(tǒng)容t,改善了傳輸質(zhì)t,降低了功耗和干擾， 是第三代移動通信系統(tǒng)可以在復(fù)雜的傳輸環(huán)境中提供比第二代移動通信系統(tǒng)更人 的

12、系統(tǒng)容t和更高的服務(wù)質(zhì)量.同時第三代移動通信系統(tǒng)融入了先進的終端技術(shù)、 朝大規(guī)模集成屯路設(shè)計技術(shù)、嵌入式實時多任務(wù)軟件技術(shù)、微波與電磁場技術(shù)等 多種技術(shù)，充分體現(xiàn)了今后移動通信系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，即多種學(xué)科、多項技 術(shù)的相互融合與滲透。移動通信的多址方式主要有fdma、tdma、cdma三大類。fdma系統(tǒng)一 般為模擬移動通信制式，tdma及cdma為數(shù)字移動通信制式。fdma發(fā)展早， 已成功應(yīng)用于各種移動通信系統(tǒng)多年，目前在一些領(lǐng)域仍在廣泛應(yīng)用。數(shù)字移動 通信是在模擬移動通信基礎(chǔ)上發(fā)展、演化而來的，在網(wǎng)絡(luò)組成、設(shè)備配置、系統(tǒng) 功能和工作方式上二者都有許多相同之處。21.2移動通信系統(tǒng)基站天線

13、1.2.1蜂窩移動通信技術(shù)的發(fā)展情況60年代末，美國貝爾實驗室等單位提出了蜂窩系統(tǒng)的概念和理論，到了 70年 代末和80年代初，世界上才出現(xiàn)了美國、日本和斯堪的納維亞地區(qū)的三個蜂窩移 動通信系統(tǒng)。此后，從1980年開始，蜂窩移動通信網(wǎng)歷經(jīng)人約10年時間的發(fā)展, 是一種采用fdma（即頻分多址一靠頻率的不同來區(qū)別不同的用戶）標(biāo)準(zhǔn)的模擬蜂克 移動通信系統(tǒng)，主要以通話業(yè)務(wù)為主，如歐洲與我國的900mhztacs系統(tǒng)和美國 的800mhzamps系統(tǒng)。從1990年到2000年的10年期間，這時期引入數(shù)字通信技 術(shù)并實現(xiàn)了地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化（即制定了模擬/數(shù)字兼容的數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)），它是一種采用tdma（既時分多

14、址一靠極其微小的時差來區(qū)別不同的用戶， 在900mhz頻譜普遍運用的gsm系統(tǒng) globalstemformobileco-ications即全球通 系統(tǒng)就屬于此系統(tǒng)）、cdma（即碼分多址一靠編碼的不同來區(qū)別不同的用戶，其編 碼有4. 4億種數(shù)字排列，且編碼還隨時變化，其重碼的概率是“二百年一遇”，如 北美的n cdma系統(tǒng)）等兩種不同的無線空中接口方式的數(shù)字蜂貫移動通信系統(tǒng), 它增加了數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的傳輸，采用話音壓縮編碼技術(shù)，使整個系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化?，F(xiàn)在采用的13kbps的話音編碼技術(shù)，其質(zhì)量 己經(jīng)達到了相當(dāng)滿意的程度。最近發(fā)展起來的個人通信系統(tǒng)pcs其速率可達到zm, 它是21世紀(jì)的移動

15、通信方式，以增加高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和圖像業(yè)務(wù)的多媒體通信為主 要目標(biāo)，在21世紀(jì)的一開始就將帶動世界移動市場新一輪的發(fā)展。它要達到的目 標(biāo)是實現(xiàn)人類的理想通信，即“任何人可以在任何時間、任何地點、向任何人提 供通信服務(wù)”，如標(biāo)準(zhǔn)正日趨統(tǒng)一成熟的imt2000系統(tǒng)（即international mobile teleeonununieation2000）,它取意于工作在2000mhz頻段、在2000年左右投入商用 的全球移動通信系統(tǒng)。imtz000的目標(biāo)是:全球無縫覆蓋;實現(xiàn)高服務(wù)質(zhì)量、高保密 性能和高頻譜效率；提供多媒體業(yè)務(wù)，實現(xiàn)車速環(huán)境144kbi決速率，步行環(huán)境 384kbi燈s速率，室內(nèi)環(huán)境z

16、mbi吮速率的無線多媒體通信?？梢灶A(yù)料，數(shù)字蜂克 移動通信網(wǎng)將和其它通信網(wǎng)一起受到個人通信網(wǎng)的導(dǎo)向而得到迅速發(fā)展。21.2.2蜂窩系統(tǒng)中的基站天線一個蜂貫系統(tǒng)通過許多蜂窩的組合為地球上某一片區(qū)域的人們提供服務(wù)。每 個蜂貫的覆蓋區(qū)域及其形狀是由基站天線的輻射波瓣和輸出功率決定的?；咎?線可供設(shè)計的參數(shù)是天線的垂肓面波瓣和水平面波瓣，垂直面波瓣是通過陣列天 線來實現(xiàn)的，而水平面波瓣則由所采用的天線單元樣式和相應(yīng)的反射板決定。在當(dāng)前的蜂熒系統(tǒng)中，為了增加系統(tǒng)的容量，一般采取覆蓋區(qū)域半徑為l5km 的小型蜂貫。在頻分多址（fdma, frequency division multiple acces

17、s）和時分多址 （tdma , time division multiple access）系統(tǒng)中，臨近的兩個蜂'離采用相同的頻帶, 由于頻帶相同而引起的兩蜂貫間的干擾可以通過天線的垂直面波瓣得到抑制。為 了給垂直面波瓣賦形，蜂窩在水平面內(nèi)可以分為幾個扇區(qū)以抑制移動端間的干擾。 fdma/tdma系統(tǒng)在相鄰的扇區(qū)采用不同的頻帶，而在cdma（code division multiple access，碼分多址）系統(tǒng)中，所有扇區(qū)采用同一頻帶。從增加用戶容量的角 度考慮，cdma系統(tǒng)采取分扇區(qū)賦形波瓣也是很重要的。由于在每個扇區(qū)里，cir值會隨著移動用戶數(shù)量的增加而惡化，因而，用戶總 數(shù)就

18、受限于基站的輻射波瓣寬度。這一點通常通過在水平面內(nèi)對波瓣分扇區(qū)設(shè)計 來實現(xiàn)。在郊區(qū)，采用全向天線來拓寬覆蓋區(qū)域。水平面的波瓣形狀由天線單元 來決定，反射板和附加于天線單元上的寄生單元也會影響扇區(qū)波瓣的形狀。限制 主瓣覆蓋區(qū)域的第二類技術(shù)是在垂直面內(nèi)傾斜波束，使波束的最人指向偏離水平 軸。實現(xiàn)波束傾斜有兩類方法：（1）天線的機械傾斜；（2）通過調(diào)整天線不同單 元間的相對相位實現(xiàn)電傾斜。由于筑物和其他障礙物的多次反射引起的衰落現(xiàn)象，使得基站天線的上行鏈 路信號屯平起伏較大。在基站中，采用分集接收技術(shù)可以増強上行鏈路信號的電 平，從而減少多徑衰落的影響。盡管基站在水平面采用分扇區(qū)設(shè)計技術(shù)本身就是 一

19、類天線方向分集系統(tǒng)，許多基站還是采用另外一只天線實現(xiàn)空間分集。通常采 用極化分集技術(shù)以減少一個基站屮使用天線的數(shù)目，因為在極化分集系統(tǒng)屮，另 一副接收天線可以和收發(fā)共用天線安裝在同一位置上。一副基站天線的主要組成部分包括：天線單元、饋電網(wǎng)絡(luò)和移相器。在覆蓋區(qū) 域半徑為1km5km的宏蜂窩系統(tǒng)屮，通常采用增益具有l(wèi)odbi至20dbi的天線。 這么高的增益只有采用陣列結(jié)構(gòu)才能獲得。對于邊射陣而言，最簡單的陣列結(jié)構(gòu) 是采用等幅、同相電壓激勵，然而，如果需要在垂直面實現(xiàn)波束傾斜，就必須調(diào) 整每個單元的相位。這一節(jié)主要介紹了日本目前用于蜂窩基站的一些基本天線， 一些實際應(yīng)用的雙頻段天線和用于imt 2

20、000系統(tǒng)（處于引入階段）的三頻段天 線單元。三頻段天線能工作在三個頻段,分別為900mhz> 1. 5ghz和2ghz。同時, 這一節(jié)也討論了饋屯網(wǎng)絡(luò)屯路、可變移相器的設(shè)計和應(yīng)用以及無源交調(diào)問題。蜂窩系統(tǒng)中基站天線最常采用的天線形式是印制振子天線，此類半波振子天線 在駐波比（vswr, voltage standing wave ratio）小于2. 0時有大于15%的頻帶 寬度。通過在天線的下方加反射板的辦法可以把振子天線的ii面全向方向圖壓制 成一個扇區(qū)波瓣形狀。在垂直面內(nèi)組陣時，天線的饋電網(wǎng)絡(luò)由微帶線組成。由于 饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶線是非平衡結(jié)構(gòu)，而天線需要平衡饋電，因而在微帶線和天線

21、之 間應(yīng)引入一個非平衡一平衡變換裝置（巴倫）。天線為了適合批量生產(chǎn)，平衡巴倫 與天線振子采用一體化設(shè)計技術(shù)。印制振子天線安裝在一塊反射板上可以在水平面方向形成一個扇區(qū)波瓣。反射 板的形狀主要用來調(diào)整水平面波瓣寬度。在日木的個人數(shù)字蜂貫系統(tǒng)（pdc）中， 天線的水平面半功率波瓣寬度為120°或90° o 60°波瓣寬度的天線用于imt 2000o寬的頻帶不只是對輸入阻抗特性而言，同時要求水平面的方向圖也要有好 的寬帶性能，附加于印制振子天線上的寄生單元可使水平面的輻射方向圖在頻帶 內(nèi)保持一致，其結(jié)構(gòu)見圖11.32o如果要求更窄的波瓣寬度，可以采用兩個天線單元組合的方

22、式。微帶天線的半 功率波瓣寬度小于90°。微帶天線的缺點是它的頻帶窄。對一個微帶天線而言， 如果基板的厚度在0.8mm3. 2mm之間，其帶寬約為2%3%,而在蜂貿(mào)系統(tǒng)中用 于分集接收的天線要求具有8%13%的帶寬。為了展寬微帶天線的頻帶，可以采 取在輻射單元上方加寄牛單元的方法，如圖11. 4所示。蜂費系統(tǒng)中主要采用垂直極化，然而水平極化和±45°斜極化常用于極化分集 系統(tǒng)。一種印制雙振子天線既用于垂直極化分集系統(tǒng)又用于水平極化分集系統(tǒng)。 圖11. 5所示是一種用于斜極化分集系統(tǒng)的交叉縫耦合印制天線。全向天線用于用戶相對較少的市郊。要求增益較低時，天線采用套筒振

23、子形式; 要求增益較高時，天線采用共線陣列形式。設(shè)計陣列時，從結(jié)構(gòu)簡單化的角度考 慮，單元可以采用這樣一種形式：對于全向天線，在基板上蝕刻一條一個波長的 槽，示意圖見圖11.63。為了獲得寬頻帶特性，可以把單元嵌入一個導(dǎo)體圓柱面 中，這時候，導(dǎo)體圓柱面起著寄牛單元的作用。31.2.3板狀天線的發(fā)展板狀天線是由微帶天線發(fā)展而來，微帶天線是在帶有導(dǎo)體接地板的介質(zhì)基片 上刻蝕成的導(dǎo)體薄片而形成的天線，是當(dāng)今較為流行的一種天線形式。矩形微帶 貼片是微帶貼片天線中最基木的單元。為了得到合適的發(fā)射功率、極化形式以及 其他能夠在整個頻帶內(nèi)滿足要求的屬性，其形狀、質(zhì)量、饋源的位置以及平坦輻 射單元的介質(zhì)基片都

24、會被優(yōu)化。最常用的貼片天線形狀是矩形和圓形，而最常用 的饋電形式有邊緣饋電、同軸饋電、強偶合以及開縫和口徑偶合。早在1953年德 尚教授就己提出利用微帶線的輻射來制成徽帶微波天線的概念。但是在隨后的近 20年里，對此只有一些零星的研究肓到1972年，由于微波集成技術(shù)的發(fā)展，和 空間技術(shù)對低剖面天線的迫切需求，芒森和豪威爾等硏究者制成了第一批實用微 帶天線.隨z,國際上展開了對微帶天線的廣泛的研究和應(yīng)用.1979年在美國新墨西 哥州大學(xué)舉行了微帶天專題會議，1981年ieee天線與傳播會刊在1月號上刊載了 微帶天線專輯。微帶天線已成為天線領(lǐng)域中的一個專門分支。從此以后微帶天線 引起了廣泛的重視與

25、研究，各種形狀的微帶天線已在衛(wèi)星通信、多普勒雷達及其 他雷達導(dǎo)彈遙測技術(shù)以及生物工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。與普通天線相比， 微帶天線具有如下優(yōu)點:剖面薄，體積小，重量輕;具有平面結(jié)構(gòu)，并可制成與導(dǎo)彈、 衛(wèi)星等載體表面共形的結(jié)構(gòu);饋電網(wǎng)絡(luò)可與天線結(jié)構(gòu)一起制成，適合于用印刷電路 技術(shù)大批生產(chǎn);能與有源器件和電路集成為單一的模件;便于實現(xiàn)圓極化，容易實現(xiàn) 雙頻段、雙極化等多功能工作。微帶天線的主要缺點是:頻帶窄;有導(dǎo)體和介質(zhì)損耗, 并且會激勵表面波，導(dǎo)致輻射效率降低;功率容量較小，一般用于屮、小功率場合; 性能受基片材料影響大.通常，一個典型的微帶天線的頻帶只有百分z幾。為了拓 寬微帶天線的頻帶，

26、已經(jīng)提出了一些具有實際意義的方法。如使用u型開槽貼片 和厚基板.通過使用探針饋屯的u型開槽貼片，可以使得天線的典型帶寬達到30%o 另外一種方法就是使用pozar在1985年提出的禍合技術(shù)，這種方法的缺點就是有 相對較高的后瓣使用這種方法進行饋電的單層貼片具有22%的典型帶寬，雙層貼 片具有37%的典型帶寬.pozar和kajfnaln在1987年提出了臨近禍合技術(shù)以減小后 瓣。這種技術(shù)是通過在饋電線上增加一個匹配電阻棒實現(xiàn)的，使用這種技術(shù)，可 以達到13%的典型帶寬:若使用帶固體功率放人器的有源微帶子陣來組陣，可獲得 相當(dāng)大的總輻射功率。最近，通過使用l型探針來擴展頻帶的新方法引起了各方 的

27、廣泛注意。因為通過使用同軸屯纜對l型探針進行饋電的貼片天線，不僅具有 微帶天線的優(yōu)點，可使帶寬達到18.5%。雙層貼片能使帶寬達到30%,但是多層天 線的幾何尺寸天線的技術(shù)可使帶寬達到35%.這就是微帶天線所用的探針貼片技 術(shù)。習(xí)慣上把這種天線稱為板狀天線。4近年來，國外也已有學(xué)者對基站天線中 的反射板問題作過研究。ebine5分析了多種反射板的形狀，得到了單頻基站天線 最佳的反射板尺寸，olver6等也對角反射器形狀進行了研究，但這都是在單個振 子輻射的情況下得到的。1.3工作任務(wù)設(shè)計一付用于移動通信基站的天線，達到如下指標(biāo)：1、垂直極化，水平波瓣寬度為120。2、頻率 935mhz960m

28、hzo vswr < 23、增益 > lodbi并完成天線的機械加工圖，總結(jié)波瓣寬度變化的設(shè)計規(guī)律。第2章板狀天線基本原理及分析2.1板狀天線基本原理板狀天線的基木知識：無論是gsm還是cdma,板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。 這種天線的優(yōu)點是：增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制 方便、密封性能可靠以及使用壽命長。板狀天線也常常被用作為官放站的用戶天 線，根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小，應(yīng)選擇相應(yīng)的天線型號。如圖所示，板狀天線是在陣列天線或者天線單元的下方加上一塊反射板，使 波束往前方發(fā)射，利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向，平面反射板放在陣列 的一邊

29、構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的圖2-2說明了反射面的作用，反射面把功率 反射到單側(cè)方向，提高了增益。天線的基本知識全向陣（垂直陣列不帶平面反射 板）。拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集 中到一個小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括 兩個基本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點上的輻射源，基站天線可供設(shè)計 的參數(shù)是天線的垂直波瓣和水平波瓣，垂直波瓣是通過陣列天線來實現(xiàn)的，而水 平波瓣是由所采用的天線單元樣式和相應(yīng)的反射板所決定。全向陣垂直陣列 不蒂平面反射板）扇形區(qū)覆蓋（垂宜陣列 帶平面反射板）|;|圖2-2水平面方向圖板狀天線高增益的形成：1

30、采用多個半波振子排成一個垂直放置的直線陣，如圖2-3a.采用多個十澈ik予帯威一個垂戌敢舀的瓦域m£豐枝娠子垂豆面方向圖7 i半法張干垂豆至方向圖半減振于垂豆面方向圖增益為g = 2 15db増益為cs 5db堆益為g=j tsdb圖23直線陣的方向和模型2在直線陣的一側(cè)加一塊反射板（以帶反射板的二半波振子垂直陣為例），如圖24兩個半液振子（帝反射板）垂宜面方向圖時i洋滅抿于帶加懺.水干直片向圖-ism» i r 增五為g = ll-14 db兩卜半波扳子（希反対板）在垂宜面上的配玄兩個半波娠子帶反射扳 在水平面上的配吉兩個半長度為l圖2-4帶反射板直線陣的方向和模型板狀天

31、線是由徽帶天線發(fā)展而來。天線單元可以選擇半波振子和微帶天線元，微 帶天線是當(dāng)今天線技術(shù)的發(fā)展趨勢，將微帶天線用于移動通信系統(tǒng)是非常有意義 的。因此木文選擇微帶天線作為天線元，而采用單片微帶天線很難達到系統(tǒng)所要 求的增益等指標(biāo)，故木文采用線陣作為天線陣列中的陣列單元。2.1.1反射板的形狀基站天線的輻射單元有對稱振子、印刷偶極子和微帶天線等。為簡化分析模 型，這里以對稱振子加反射板為例進行分析，其中反射板的橫截面形狀如圖2.1 所示。對稱振子的諧振頻率約為gsm通信中的l.gghzo振子天線與反射板間的距 離均設(shè)為2/4。常見的幾種反射板形狀（如圖25所示）包括矩形平板，角形反射板, 帶側(cè)邊緣的

32、矩形平板，變形角形反射板，帶側(cè)邊緣的變形角形反射板等。通過改 變每種反射板結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，可以得到所需的天線水平面輻射方向圖和最優(yōu)的 前后比特性，其中前后比特性即后向丄300之間的方向特性。7(d)(e)圖2-5基站天線幾種發(fā)射板形狀2.1.2蜂窩基站天線單元蜂貴系統(tǒng)中基站天線最常采用的天線形式是印制振子天線，此類半波振子天 線在駐波比(vswr, voltage standing wave ratio)小于2.0時有大于15%的頻 帶寬度。通過在天線的下方加反射板的辦法可以把振子天線的h面全向方向圖壓 制成一個扇區(qū)波瓣形狀。在垂直面內(nèi)組陣時，天線的饋電網(wǎng)絡(luò)由微帶線組成。由 于饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶線

33、是非平衡結(jié)構(gòu)，而天線需要平衡饋電，因而在微帶線和天線 之間應(yīng)引入一個非平衡一平衡變換裝置(巴倫)。天線為了適合批量牛產(chǎn)，平衡巴 倫與天線振子采用一體化設(shè)計技術(shù)。印制振子天線安裝在一塊反射板上可以在水平面方向形成一個扇區(qū)波瓣。反 射板的形狀主要用來調(diào)整水平面波瓣寬度。在日木的個人數(shù)字蜂駕系統(tǒng)(pdc)中, 天線的水平面半功率波瓣寬度為120°或90° o 60°波瓣寬度的天線用于imt 2000o寬的頻帶不只是對輸入阻抗特性而言，同時要求水平面的方向圖也要有好 的寬帶性能，附加于印制振子天線上的寄生單元可使水平面的輻射方向圖在頻帶 內(nèi)保持一致。如果要求更窄的波瓣寬度

34、，可以采用兩個天線單元組合的方式。微帶天線的半 功率波瓣寬度小于90°。微帶天線的缺點是它的頻帶窄。對一個微帶天線而言， 如果基板的厚度在0.8mm3. 2mm之間，其帶寬約為2%3%,而在蜂貫系統(tǒng)中用 于分集接收的天線要求具有8%13%的帶寬。為了展寬微帶天線的頻帶，可以采 取在輻射單元上方加寄牛單元的方法。蜂費系統(tǒng)中主要采用垂直極化，然而水平極化和±45°斜極化常用于極化分集 系統(tǒng)。一種印制雙振子天線既用于垂直極化分集系統(tǒng)又用于水平極化分集系統(tǒng)。全向天線用于用戶相對較少的市郊。要求增益較低時，天線采用套筒振子形式; 要求增益較高時，天線采用共線陣列形式。設(shè)計陣

35、列時，從結(jié)構(gòu)簡單化的角度考 慮，單元可以采用這樣一種形式：對于全向天線，在基板上蝕刻一條一個波長的 槽。為了獲得寬頻帶特性，可以把單元嵌入一個導(dǎo)體圓柱面中，這時候，導(dǎo)體圓 柱面起著寄牛單元的作用。32.2微帶天線概述對于陣列天線而言，可作為陣列天線陣元的單元天線有很多種如振子天線、環(huán)天線、縫隙天線、螺旋天線、背射天線等。結(jié)合我們近年來實驗室的科研項 目和實驗研究。單元天線主要選取了微帶天線、振子天線、背射天線作為天線陣 元進行組陣研究。重點的研究對象為微帶天線。因為微帶天線固有的特點，它很 適合進行天線組陣的研究。在天線組陣中，目前己有木實驗室研制的圓環(huán)背射天 線的二元陣列投入工程應(yīng)用，并有相

36、應(yīng)產(chǎn)品面世。但主要的研究方向還是集中于 微帶天線的組陣方案，現(xiàn)對微帶天線進行理論和實驗的分析。微帶輻射器的概念 首先是deshcmaps在1953年提出的。但是過了二十年，當(dāng)較好的理論模型及對敷 銅或敷金的介質(zhì)基片的光刻技術(shù)發(fā)展之后，實際的天線才制造出來。這種基片介 電常數(shù)范圍較寬，具有吸熱特性和機械特性及低損耗角正切。最早的實際的微帶 天線是howen和munsno在二十世紀(jì)七十年代初期研制成的。在此之后，由于微 帶天線的許多優(yōu)點，諸如重量輕、體積小、成木低，平面結(jié)構(gòu)可以和集成電路兼 容等，微帶天線得到了廣泛的研究和發(fā)展，從而使微帶天線獲得了多種應(yīng)用，并 h在微波天線中作為一個分立領(lǐng)域獲得了

37、很大的發(fā)展。目前，已研制成了各種類 型平面結(jié)構(gòu)的印制天線，例如，微帶天線、帶線縫隙天線、背腔印制天線以及印 制偶極子天線。而一般所指的微帶天線，可分為三種基木類型:微帶貼片天線、微 帶行波天線、微帶縫隙天線。它們的輻射機理是由微帶貼片、或準(zhǔn)tem模傳輸線、 或開在地板上的縫隙產(chǎn)牛輻射。同常規(guī)的微波天線相比，微帶天線具有一些優(yōu)點。 因而，在大約loomhz到50ghz的寬頻帶上獲得了大量的應(yīng)用。與通常的微彼天 線相比，微帶天線具有很多優(yōu)點：1 重量輕、體積小、剖面薄的平面結(jié)構(gòu)，可以做成共形天線；2制造成木低，易于大量牛產(chǎn)；3可以做得很薄，因此，不擾動裝載的宇宙飛船等飛行器的空氣動力學(xué)性能；4無需

38、作大的變動，天線就很容易地裝在導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星上；5 天線的散射截面較??；6稍微改變饋電位置就可獲得線極化和圓極化（左旋和右旋）；7不需要背腔，微帶天線適合于組合式設(shè)計（固體器件如振蕩器、放大器、可變衰 減器、開關(guān)、調(diào)制器、混頻器、移相器等可以直接加到天線基片上。微帶天線 與通常的微波天線相比，也有一些缺點：1頻帶窄；2有損耗，因而增益較低；3 大多數(shù)微帶天線只向半空間輻射；4最大增益實際上受限制（約為20db）;5 饋線與輻射元之間的隔離差；6 .端射性能差；7可能存在表面波，功率容量較低。但是，采取一些辦法可減少某些缺點，例如，只要在設(shè)計和制造過程中特別 注意就可抑制或消除表面波。在實際應(yīng)

39、用中，微帶天線的優(yōu)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它的缺點。 微帶天線已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其主要應(yīng)用范圍如下:衛(wèi)星通信、多普勒及其它 雷達、無線電測高計、指揮和控制系統(tǒng)、導(dǎo)彈遙測、武器信管、便攜裝置、環(huán)境 檢測儀表和遙感、復(fù)雜天線中的饋電單元、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機、生物醫(yī)學(xué)輻射器等。 但在目前，由于無線通信的飛速發(fā)展，微帶天線在無線通信中已獲得廣泛應(yīng)用， 它還將繼續(xù)在無線通信中發(fā)揮重要的作用，而h將進一步擴大其應(yīng)用領(lǐng)域2.2.1微帶天線的輻射機理微帶天線的輻射可以用圖26 （a）所示的簡單情況來說明。圖2-6(a)矩形微帶貼片天線(b)側(cè)視圖(c)頂視圖這是一個一個矩形微帶貼片，與地板相距幾分之一波長。假定電場沿微帶結(jié)

40、 構(gòu)的寬度和厚度方向沒有變化，則輻射器的電場結(jié)構(gòu)可由圖2-6(b)表示，電場僅 沿約為半波長的貼片長度方向變化。輻射基片上是由貼片開路邊沿的邊緣場引起 的。在兩端的場相對于地板可以分解為法向分量和切向分量，因為貼片長為半波 長，所以法向分量反相，由它們產(chǎn)生的遠(yuǎn)區(qū)場在正面方向上互相抵消。平行于地 板的切向分量同相，因此，合成場增強，從而使垂直于結(jié)構(gòu)表面的方向，上輻射 場最強。所以，貼片可表示為相距半波長、同相激勵并向地板以上空間輻射的兩 個縫隙圖2-6(c)o也可以考慮電場沿貼片寬度的變化。這時微帶貼片天線可以用 貼片周圍的四個縫隙來表示。同樣，其它微帶天線結(jié)構(gòu)也可用等效的縫隙來表示。2.2.2

41、微帶天線的饋電方法大多數(shù)微帶天線只在介質(zhì)基片的一面上有輻射單元，因此，可以用微帶天線 或同軸線饋電。因為天線輸入阻抗不等于通常的50q傳輸線阻抗，所以需要匹配。 匹配可由適當(dāng)?shù)剡x取饋電的位置來做到。但是，饋電的位置也影響輻射特性。因 此，可用格林函數(shù)法來確定微帶線饋電和同軸饋電位置的影響。1微帶線饋電微帶饋電分為中心微帶饋電和偏心微帶饋電結(jié)構(gòu)示于。饋電點的位置也決定激勵 哪種模式。當(dāng)天線元的尺寸確定后可按下法進行匹配：先將中心饋電天線的貼片 同50q的饋線一起光刻，測量輸入阻抗并設(shè)計出匹配變阻器；再在天線元與饋線 之間接入該兀配變阻器，重新作成天線。另外，如果天線的幾何圖形只維持主模, 則微帶

42、饋線可偏向一邊以得到良好的匹配。特定的天線?？捎迷S多方法激勵。如 果場沿矩形貼片的寬度變化，則當(dāng)饋線沿寬度變化時，輸入阻抗隨之改變，從而 提供了一種阻抗匹配的簡單方法。饋電位置的改變，使得饋線和天線之間的耦合 改變，因而使諧振頻率產(chǎn)生一個小的漂移，而輻射方向圖仍然保持不變。不過稍 加改變貼片尺寸或天線尺寸，可補償諧振頻率的漂移。2. 同軸線饋電同軸饋電可以有中心、偏心、任意位置饋電。在所有情況中，同軸插座安裝在印 刷電路的背面，而同軸線內(nèi)的位置可由經(jīng)驗去找，以便產(chǎn)牛最好的匹配。這種饋 源的理論模型，可表示為z向電流圓柱和接地板上同軸開口處的小磁流環(huán)。其簡 化處理是略去磁流的作用，并用中心位于圓

43、柱中心軸的電流片來等效電流柱。一 中更嚴(yán)格的處理，是把接地板上的同軸開口作為傳tem波的激勵源，而把圓柱探 針的效應(yīng)按邊界條件來處理。微帶輻射器的輸入阻抗或輸入導(dǎo)納是一個基本參數(shù)。因此應(yīng)精確知道輸入導(dǎo)納， 以便在單元和饋線之間做到良好的匹配。83. 微帶一縫隙饋電微帶一縫隙饋電饋電方式如圖2-7：圖27微帶一縫隙饋點2.3矩形微帶天線及其分析方法最簡單的微帶貼片結(jié)構(gòu)是矩形微帶天線，如圖28所示。其基木天線元是薄介質(zhì)基片上的帶狀導(dǎo)體，介質(zhì)基片的背面是地板。由于這種天線結(jié)構(gòu)簡單，因而成 為大量研究論文的課題，并且作了許多努力來預(yù)計和計算矩形微帶天線的輻射特 性。它們從復(fù)雜的數(shù)學(xué)表達式到簡單的模型，

44、現(xiàn)已證明，這些數(shù)學(xué)表示式和模型 已經(jīng)足夠了，但還不能得到精確解。圖2-8矩形微帶貼片天線微帶貼片輻射器的特性可由輻射方向圖、輸入阻抗、增益、帶寬、波瓣寬度、 效率、損耗和q因數(shù)來表征。因而，雖然方法很多，但是，就設(shè)計成本和性能推 算而論，有一個最佳方法，既可以用簡單的表示式推算天線參數(shù)并與實驗得到的 結(jié)果相一致。下面將介紹腔體模型和傳輸線模型。2.3.1腔體模型理論如圖2-9所示微帶貼片天線微帶片和接地板之間的盒形區(qū)域可看作諧振腔它 的上下壁為微帶片和面積相同的接地板周圍的柱形面為側(cè)璧。這個模型的提出是 基于觀察到：在以微帶和地板為邊界的區(qū)域內(nèi)，電場e只有z分量，而磁場帀只 有x和y分量；在此

45、區(qū)域中，對于所有有意義的頻率，場都和z坐標(biāo)無關(guān)；在邊 緣的任何點上，微帶中的電流都沒有正交于邊緣的分量，這意味著帀沿邊緣的切 向分量可以忽略。因而，微帶和地板之間的區(qū)域可以看作沿周圍邊緣的磁壁和上、下兩面的電 壁圍成的腔體。天線中的場可以假定為腔體的場，從而可求出輻射方向圖、輻射 功率和饋電點在任何位置的輸入導(dǎo)納。用下面的關(guān)系式可求得腔體模型的電場和磁場emn = y/mn z (2_1 )(2-2)在磁壁上,(2-3)(2-4)式中，匕是相對于z軸的橫向v算子，$呦是矩形微帶貼片輻射器場的解，對 于tmmn模，其諧振波數(shù)匕山為(2-5)當(dāng)微帶天線用微帶線或同軸線饋電時，將激勵起許多模，如在解

46、中考慮的不 夠，就產(chǎn)生錯誤的結(jié)論。假定微帶天線的周界可用理想導(dǎo)磁體圍起來而不擾動場分布，則場可用模函 數(shù)鑑展開。對此，圖2. 5結(jié)構(gòu)中的ez分量可寫成/n=0 r?=0k kmnm jid、2l)式子中,疋=£1 一/tan/)殆 k0 =tan是介質(zhì)的損耗角正切；r）o = 120m1。0創(chuàng)（3）=需c。伴帆罰(2-7)芻加和£（）加是黎曼（neumann）數(shù)，定義為(2-8)d是沿z方向一安培均勻饋電電流帶的有效寬度。當(dāng)知道了場分布時，可將惠更斯原理用于腔體磁壁以確定在周界上的磁流源(2-9)m (x, y) = 2n x zez于是，方向圖、輻射功率、輸入阻抗等均可很

47、容易的求出。由上述討論不難 看出基木的腔模理論應(yīng)用上的限制h« x的條件是很重要。2.3.2傳輸線模型理論munson和derneryd的傳輸線模型可得出適合大多數(shù)工程應(yīng)用的結(jié)果，并且需 要的計算量不大。但是，這種模型也有其缺點，特別是它僅適用于矩形（或正方 形）貼片。微帶輻射器單元可看作一個場沒有橫向變化的傳輸線諧振器，場只沿長度變 化，通常長度是半個波長，輻射主要由開路端的邊緣場產(chǎn)牛。輻射器可表示成在 x-y平面內(nèi)，間距為l的兩個縫隙（見圖2-10）o每個縫隙的輻射場同具有磁流廉 的磁偶極子輻射場一樣m = z2ex=z2v（）/h（厶0）式中，因數(shù)2是由于肪接近地板的正像所引出

48、；v。是縫隙兩端的電壓，在整個縫 寬上，v。不隨x變化。對于單個縫隙，離原點為r處的遠(yuǎn)區(qū)場為(2-11)式中f（&,0）=（k.h、asinsin& cos0sincos &（2 丿< 2 丿k h；sin & cos 0（2-13）當(dāng)（）= h/2時，e面的方向性f（0）為sinf（0）= 字 cos0（2.14）同樣，當(dāng)0=n/2時，f（）表示h面的方向性并可寫為（25）sinf一因此，間距為l的兩個縫隙，其e面的輻射方向性為sin件（0）= （£（）/?cos0r（）/zcos02-cos處 cos0i 2丿（2.16）而h面方向性和l無關(guān)

49、，可由式（2. 15）給出。2.3.3矩形微帶天線的性能分析1方向圖對于大多數(shù)工程應(yīng)用來說，簡單的傳輸線模型給出的結(jié)果己足夠滿意。因此，輻 射方向圖可由式(2. 14)和(2.15)畫出。見圖2. 5。uov圖211矩形微帶天線理論方向圖厶(&) =cos硝 sin。e面方向圖計算公式:(2-17)h面方向圖計算公式:(w(2-18)sin 心 一sin& cos0 i 2丿w k(sin&o 22. 帶寬饋線的電壓駐波比(vswr)小于s時，微帶天線帶寬為(2-19)式中qt為品質(zhì)因數(shù)計算證明，當(dāng)頻率一定時，選用較大的h和較低耳值可得到較寬的帶寬。通常微帶天線的帶寬約

50、為百分之幾的量級。為了增加帶寬，可增加輻射單元的電感、在 微帶天線上挖孔或開槽、或者附加電感分量以及改善輻射單元同饋線的匹配等方 法。3. 波瓣寬度微帶天線主瓣的半功率角寬度可近似由下式計算2&().5h = 2 cos(2-20)2%5e =2cos_-x(302£2 + 2/22)_7.03(2-21)由式可見，選較小的輻射單元尺寸可加寬微帶天線的主瓣寬度。上述表達式對微帶天線提供了一個很好的預(yù)算和設(shè)計方法。但設(shè)計值不一定和測 量值相吻合，其原因很多，如地板的大小，介質(zhì)基片性質(zhì)的容許偏差以及制造誤 差等。4. 方向性系數(shù)及增益：將矩形微帶天線看成一段傳輸線分開的兩個縫隙所

51、構(gòu)成，其中一個縫隙的方向性 系數(shù)可表示成*re(爲(wèi)砒ji?！?2-22)則整個矩形微帶天線的方向性系數(shù)可表示為2d.(2-23)l + g|2其中小2為歸一化互導(dǎo)，可由下式求出sin2制"trw八。八 z1 t.-cos& tan" &sin«/“,a) 丿絲 sine he(2-24)其中g(shù)為單縫的輻射電導(dǎo)，丿o(x)為以x為自變量的零階貝塞爾函數(shù)。要求出天線的增益，就必須知道矩形微帶天線的效率。效率公式可表示為空x 100% =匚x 100%(2-25)£+£+匕g+g+gdg,為輻射電導(dǎo)，g,為導(dǎo)體電導(dǎo)，g”為介質(zhì)電導(dǎo)，p

52、為它們相應(yīng)的功率，則增益 可表示為：g =(2-26)2.4基站天線的改善技術(shù)波朿下傾技術(shù)的主要目的是傾斜主波束以壓縮朝重用頻率的蜂貫方向的輻射 電平而增加信嗓比。在這種情況下，雖然在區(qū)域邊緣載波電平也降低了，但是干 擾電平比載波電平降低得更多，所以總的信噪比增加了。從系統(tǒng)設(shè)計的觀點來看, 這是一個優(yōu)點。全球多數(shù)蜂駕系統(tǒng)都采用了這項技術(shù).通過對有波束傾斜天線和無 波束傾斜天線的比較，同樣證明了波朿傾斜技術(shù)是有效的，波束傾斜天線使得從 基站內(nèi)干擾電平超過系統(tǒng)門限電平的距離顯著縮短。實現(xiàn)波束傾斜的技術(shù)主要有 兩種:一種是通過調(diào)整天線陣的激勵系數(shù)實現(xiàn)波朿傾斜：另一種是通過機械辦法來 實現(xiàn)。機械天線指

53、機械調(diào)整下傾角的天線機械天線與地面垂肓安裝好以后，如果 因網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的需要，豁調(diào)整天線的下傾角，就得通過調(diào)整天線背面的支架來完成。 調(diào)整后雖然天線主瓣方向理蓋距離明顯變化，但天線的垂肓分量和水平分t的幅 值不變，因此天線方向圖容易變形實踐證明:機械下調(diào)天線的最佳下傾角為1。 5°；當(dāng)下傾角度在5。10。變化時，其天線方向圖稍有變形但變化不大，當(dāng)下傾 角在10。15。變化時，天線方向圖變化較大；當(dāng)機械下傾15。后，天線方向圖形狀 改變很大，雖然主瓣方向扭蓋距離明顯縮短，但是整個天線方向圖不是都在基木 扇區(qū)內(nèi)，在相鄰基站扇區(qū)內(nèi)也會收到該基站的信號，從而造成嚴(yán)重的系統(tǒng)內(nèi)干擾. 另外機械天線調(diào)

54、整傾角的步進度數(shù)為1。，在調(diào)整時整個系統(tǒng)都要關(guān)機，不能在調(diào) 整天線傾角時同時進行監(jiān)測，機械天線的下傾角度是通過計算機模擬分析軟件計 算的理論值，同實際最佳下傾角度有一定的偏差。而且，機械天線調(diào)整下傾角度 非常麻煩，一般需要維護人員在夜間爬到天線安裝處調(diào)整，而有些天線安裝后再 進行調(diào)整非常困難。電調(diào)天線是指使用電子調(diào)整下傾角的天線。電子下傾的原理是通過改變共線 陣天線單元的相位，使主波束方向指向要求的方向。由于天線各方向的場強強度 同時增大和減小，保證在改變傾角后天線方向圖變化不大，使主瓣方向搜蓋距離 縮短，同時又使整個方向圖在服務(wù)扇區(qū)內(nèi)減小覆蓋面積但又不產(chǎn)牛干擾。實踐證 明電調(diào)天線下傾角度在1

55、。5。變化時，其天線方向圖與機械天線的大致相同， 當(dāng)下傾角度在5。10。變化時，其天線方向圖較機械天線稍有改善，當(dāng)下傾角度在 10。15。變化時，其天線方向圖較機械天線的變化較大，當(dāng)下傾15。后，其天線 方向圖較機械天線的明顯不同，這時天線方向圖形狀改變不大，主瓣方向覆蓋距 離明顯縮短，整個天線方向圖都在木基站扇區(qū)內(nèi)。增加扇區(qū)角度可以使扇區(qū)搜蓋 面積縮小，但不產(chǎn)生千擾，這樣的方向圖是我們需要的。另外，電調(diào)天線調(diào)整下 傾角的步進度數(shù)為0.1。，精度高，效果好。而且維護人員可以肓接在地面進行調(diào) 整。在目前的移動通信網(wǎng)絡(luò)中，由于基站站點的增多，使得我們在設(shè)計市區(qū)基站 的時候，一般要求其極蓋范圍大約為

56、500m左右，而根據(jù)移動通信天線的特性，如 果不使天線有一定的下傾角（或下傾角偏?。┑脑挘瑒t基站的夜蓋范圍會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于500m,如此會造成基站實際覆蓋范圍比預(yù)期范圍大，從而導(dǎo)致小區(qū)與小區(qū)之間 交叉覆蓋，相鄰切換關(guān)系混亂，系統(tǒng)內(nèi)頻率干擾嚴(yán)重；另一方面，如果天線的下傾 角偏大，則會造成荃站實際扭蓋范圍比預(yù)期范圍偏小，導(dǎo)致小區(qū)之間的信號盲區(qū) 或弱區(qū)。因此，合理設(shè)t下傾角是保證整個移動通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)t的基木要求。一來說下傾角的大小可以由以下公式推算(2-27)& = circtg(hl 門其中夕為天線的下傾角，h為天線的高度，r為小區(qū)的扭蓋半徑波束斌形可以通過改變單元間距和相位來得到，若固定下傾角

57、的角度，可以 設(shè)計成不等間距不等相位的陣列天線，相位的改變可以通過改變電纜長度來實現(xiàn)。第3章 陣列天線單元的性能分析3.1矩形微帶天線單元的設(shè)計3.1.1基板材料和貼片尺寸的選擇木文選擇天線形式為矩形微帶天線，確定微帶天線形式之后就應(yīng)選定介質(zhì)基 片，因為基片材料的£，tan 5和厚度h將肓接影響微帶天線的性能，采用較厚的 基片可以得到較寬的頻帶效率高，但h/入即電尺寸過大會引起表面波的明顯激勵。 通常，天線電厚度較可取的最大值約為h/入"0.2。采用較高的&微帶天線的尺寸 較小但帶寬較窄e面方向圖較寬當(dāng)6減小時可以使輻射對應(yīng)的q下降從而使頻帶 變寬勺降低還將減小表面波的影響。任務(wù)要求達到的頻帶帶寬比3%,但在現(xiàn)代移動 通信上都要求寬頻帶，高增益。為了得到