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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 并
2、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 stati
3、onantenna 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 expansi
4、on 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 antenna s characteristics we anufactured the microstrip antenna element successfully by back fed simplifying the matching network We
5、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 and simula
6、te 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 array 目 录 III 目 录
7、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 2 3 1 腔体模型理论
8、 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 参考文
9、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第四代移动通信系
10、 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 如汽车的火花噪声干扰 邻道
11、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 也可以多网并行并实现互连互通 为此 移动 通信
12、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
13、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
14、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
15、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 I
16、ternet 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
