微波全向天線較多應(yīng)用于一點(diǎn)多址通信中，廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、遙控、遙測(cè)領(lǐng)域。在較低頻段中，微波全向天線主要有螺旋天線、交叉饋電式天線、波導(dǎo)縫隙天線；而隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，通信頻率向更高的波段發(fā)展已是必然趨勢(shì)，在C波段或更高的頻段，波長(zhǎng)很短，以上提到的天線由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致加工費(fèi)用高，調(diào)試?yán)щy，并且饋電結(jié)構(gòu)也難于設(shè)計(jì)，使得天線的帶寬較窄；同時(shí)這些類型的天線高度均超過(guò)半波長(zhǎng)或者四分之一波長(zhǎng)，天線高度太大導(dǎo)致其占用的體積空間較大，并且天線RCS（雷達(dá)散射截面）也較大，對(duì)各類載體平臺(tái)的電磁隱身特性也帶來(lái)較大影響。

考慮到上述情況，有必要為實(shí)際通信平臺(tái)開發(fā)一種全向天線，即新型C波段寬帶小型化全向天線，它能夠提供比現(xiàn)有天線更理想的電磁特性，本文將詳細(xì)討論該天線的性能及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)天線性能的影響，并對(duì)天線的阻抗及輻射特性進(jìn)行分析。

2? 天線基本結(jié)構(gòu)及輻射原理

新型C波段寬帶小型化全向天線共形全向天線示意如圖1、圖2所示，圖1為天線本身的外形結(jié)構(gòu)，圖2為天線剖面圖。從圖中可以看出，該天線是由金屬圓盤、金屬單極子、介質(zhì)墊片、方形金屬地板以及同軸饋電連接器共同構(gòu)成。

圖1 ?天線示意圖

圖2 ?天線剖面圖

金屬圓盤半徑r₁、厚度h₁，金屬單極子半徑r₂、高度h₂，它們加工為一個(gè)整體；金屬單極子中部有螺紋孔；聚四氟乙烯介質(zhì)墊片為一個(gè)類似“瓶蓋”的腔體結(jié)構(gòu)，半徑r₃、厚度h₃，中間有通孔使得同軸內(nèi)芯通過(guò)，其下部腔體尺寸可使得同軸連接器剛好深入其內(nèi)部；方形金屬地板中間有通孔使得連接器外導(dǎo)體通過(guò)；同軸連接器為市售產(chǎn)品，選用的是N型同軸連接器N-50KF-C，其特殊之處在于伸出的內(nèi)芯有螺紋，它可以直接穿過(guò)介質(zhì)墊片上的通孔與金屬單極子中部的螺紋孔旋擰在一起，從而使得整個(gè)天線成為一個(gè)整體。

在本設(shè)計(jì)中，天線金屬圓盤及金屬單極子是起輻射作用的最主要部件，用于向空間輻射電磁波。當(dāng)發(fā)射信號(hào)時(shí)，同軸連接器通過(guò)連接的同軸電纜輸入外接發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)，同軸接頭輸出的能量激起金屬圓盤及金屬單極子上的表面電流，從而產(chǎn)生輻射；由于所采用的金屬單極子直徑較大，使得天線可以發(fā)射較寬帶寬范圍內(nèi)的垂直極化電磁波；由于金屬單極子頂端接入了金屬圓盤，這使得天線頂端的電流不為零，有效的實(shí)現(xiàn)了天線的小型化；由于介質(zhì)墊片為腔體結(jié)構(gòu)，分隔開天線的輻射結(jié)構(gòu)與金屬地板，使得同軸電纜能夠有效的激勵(lì)天線電流；金屬圓盤、金屬單極子及介質(zhì)墊片在結(jié)構(gòu)上均成中心軸對(duì)稱分布，可以使得天線在水平面360度范圍內(nèi)輻射場(chǎng)均勻分布。

3? 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于天線阻抗特性的影響

反射損耗是天線的一個(gè)重要性能參數(shù)，它決定了天線的阻抗特性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，影響該天線反射損耗性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為金屬圓盤半徑r₁、厚度h₁，金屬單極子半徑r₂、高度h₂。通過(guò)多組建模仿真，可以得到各個(gè)參數(shù)對(duì)于天線反射損耗的影響規(guī)律，以便于實(shí)際天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

3.1? 金屬圓盤半徑r₁對(duì)反射損耗的影響

作為最主要的輻射結(jié)構(gòu)，金屬圓盤的尺寸在很大程度上決定了天線的諧振頻率，圖3是針對(duì)不同的金屬圓盤半徑r₁反射損耗隨頻率的變化曲線。隨著半徑的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與一般的單偶極子天線類似，輻射體尺寸與天線頻率呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

圖3 ?反射損耗與r₁的關(guān)系 3.2? 金屬圓盤厚度h₁對(duì)反射損耗的影響

圖4是針對(duì)不同的金屬圓盤厚度h₁反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，金屬圓盤的厚度同樣會(huì)影響天線的諧振頻率，隨著厚度的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與金屬圓盤半徑類似，該尺寸的大小與天線頻率高低呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。

圖4 ?反射損耗與h₁的關(guān)系

3.3? 金屬單極子半徑r₂對(duì)反射損耗的影響

金屬單極子不僅是該天線的輻射結(jié)構(gòu)，同時(shí)它還作為過(guò)渡部件連接金屬圓盤及饋入電流的同軸連接器。圖5是針對(duì)不同的金屬單極子半徑r₂反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，該半徑不僅影響諧振點(diǎn)位置，還在很大程度上影響反射損耗的大小，如果該半徑過(guò)大，則反射損耗很大，即C波段在同軸接頭饋入天線的能量大部分都被反射，使得天線無(wú)法正常工作；從安裝角度考慮，若該半徑過(guò)小，則輻射結(jié)構(gòu)沒(méi)有辦法與同軸連接器的螺紋內(nèi)芯連接，所以在天線尺寸的設(shè)計(jì)上要綜合考慮天線性能及安裝結(jié)構(gòu)。

圖5 ?反射損耗與r₂的關(guān)系

3.4? 金屬單極子高度h₂對(duì)反射損耗的影響

圖6是針對(duì)不同的金屬單極子高度h₂反射損耗隨頻率的變化曲線。從圖中可以看出，金屬單極子的高度會(huì)在很大程度上影響天線的諧振頻率，隨著高度的增大，天線的諧振頻率逐漸向低頻端偏移，與普通單極子尺寸與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系一致。

圖6 ?反射損耗與h₂的關(guān)系

4? 天線性能分析

在上述分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用仿真軟件HFSS對(duì)天線參數(shù)進(jìn)行了逐一的調(diào)整，最后得出了性能最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終天線地板以上的總體高度h₁+h₂+h₃僅為最低工作頻率f_L所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的八分之一左右，現(xiàn)對(duì)其性能進(jìn)行如下分析。

4.1? 天線的阻抗特性

前面已經(jīng)提到過(guò)，天線的反射損耗是一個(gè)重要性能參數(shù)，它反映了天線的阻抗特性。圖7給出了該C波段寬帶小型化全向天線反射損耗的結(jié)果。在f_L?~?f_H的頻率范圍內(nèi)，天線反射損耗的仿真結(jié)果均小于-10dB，這種全向天線阻抗特性良好，它具有45%左右的阻抗帶寬。

圖7 ?天線的反射損耗

4.2? 天線的輻射特性

對(duì)于全向天線，增益特性是衡量其性能好壞的重要指標(biāo)，圖8是該天線的增益隨頻率的變化關(guān)系（f_L?~?f_H）。頻率在f_L?~?f_H范圍內(nèi)，增益變化范圍是3.5~6dB，變化幅度小于2.5dB，增益在頻帶內(nèi)較為穩(wěn)定；天線的方向圖是表征天線輻射特性與空間角度關(guān)系的圖形，圖9表示該天線在頻率分別為f_L、(f_L+f_H)/2、f_H時(shí)水平面方向圖的結(jié)果。在各個(gè)頻率上，該天線水平面近似全向輻射，不圓度小于2dB，方向圖穩(wěn)定性較好。

圖8 ?天線的增益

圖9 ?天線的方向圖 天線的拓展應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)可采用方形金屬地板，且尺寸可根據(jù)應(yīng)用需求適當(dāng)調(diào)整；同時(shí)，也可根據(jù)實(shí)際需求在一定尺寸范圍內(nèi)采用圓形地板或者異形地板，參見(jiàn)圖10，地板形狀改變，基本不會(huì)影響天線性能。此外，本天線應(yīng)用場(chǎng)合靈活，它可單獨(dú)作天線用，也可用作反射面天線的饋源或者陣列的單元，尤其適用于作八木天線的有源振子，參見(jiàn)圖11，該天線本身前后適當(dāng)位置加入引向金屬棍和反射金屬棍即可以有效縮小八木天線的總體高度。

圖10 ?地板為圓形時(shí)的天線結(jié)構(gòu)

圖11 ?天線作為八木天線有源振子的結(jié)構(gòu)

6? 結(jié)論

本文所論述天線與現(xiàn)有技術(shù)相對(duì)照，其效果是積極和明顯的。天線的工作頻段為C波段，本身高度僅為最低工作頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/8左右；天線相對(duì)帶寬約為45%，在頻段內(nèi)可以良好的與50Ω同軸電纜匹配；天線在水平面360度的范圍內(nèi)輻射場(chǎng)均勻全向分布，不圓度小于2dB；此外，本天線結(jié)構(gòu)靈活，除了可采用方形地板，還可在一定尺寸范圍內(nèi)采用圓形或者異形地板，并且天線可以作為八木天線的有源振子使用，有效縮小八木天線的總體尺寸。

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在航空器、導(dǎo)彈等高速飛行器上，全球定位系統(tǒng)GPS是不可或缺的組件，它廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)繪、監(jiān)測(cè)、授時(shí)、通信等多種領(lǐng)域。而在GPS系統(tǒng)的研究開發(fā)過(guò)程中,天線成為必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。這些飛行器要求天線既不影響其空氣動(dòng)力性能，又不破壞其機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能優(yōu)點(diǎn)的共形天線陣在飛行器上得到廣泛應(yīng)用。

目前，對(duì)于錐面共形天線陣的研究報(bào)道非常多。提出了一種錐面共形天線陣的分析方法，研究了一種毫米波段錐面共形天線陣。對(duì)于上述錐面共形天線陣，工作頻率較高，尺寸上基本不受限制，相鄰單元的弧面間距大于或者接近天線工作頻率的半波長(zhǎng)。但是在天線尺寸受限的情況下，相鄰單元的弧面間距如果小于半波長(zhǎng)，單元間的耦合加劇，天線陣的電壓駐波比就會(huì)急劇惡化，輻射特性也會(huì)有劇烈的起伏，極不穩(wěn)定。所以在GPS頻段，天線尺寸受到共形體錐面表面積的限制，天線的小型化成為設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題。眾所周之，GPS天線是右旋圓極化天線，但是考慮到小型化的要求，為了滿足輻射特性，采用線極化天線可以減小3dB的損耗。所以本文設(shè)計(jì)出了一種采用線極化方式的小型化GPS錐面共形天線陣，在減小天線尺寸的同時(shí)提高了天線的性能。

2 ?設(shè)計(jì)要求

天線要求共形安裝在如圖1所示的錐臺(tái)上，錐臺(tái)上底面圓周長(zhǎng)約為0.26λ0（λ0為天線中心頻率的波長(zhǎng)），下底面圓周長(zhǎng)約為0.67λ0，錐臺(tái)母線長(zhǎng)H約為0.24λ0，工作頻率為f0=1.575GHz，天線輻射的H面方向圖要求全向。

經(jīng)分析，由于天線安裝面面積極小，天線陣只能采用2單元微帶共形結(jié)構(gòu)，陣元弧面間距僅為0.25λ0，遠(yuǎn)小于天線工作頻率的半波長(zhǎng)，陣元間耦合強(qiáng)烈，并且天線要求水平全向輻射，這使得天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小型化，保證中心頻率并穩(wěn)定天線輻射性能成為首要設(shè)計(jì)要求。

圖1 ?天線安裝錐臺(tái)示意圖

3 ?理論分析與設(shè)計(jì)

本文先利用一般微帶天線的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)天線單元，并對(duì)饋電方式進(jìn)行改進(jìn)，利用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線單元進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了天線陣的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

3.1 ?天線單元的分析與設(shè)計(jì)

在天線的設(shè)計(jì)中考慮到安裝平臺(tái)的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介電常數(shù)柔性介質(zhì)基片，介質(zhì)厚度為h=0.6mm，矩形微帶天線的尺寸公式為[5]：

（1）

（2）

式中f0為天線工作的中心頻率，c為光速(3×108m/s) 。而al為微帶傳輸線的等效伸長(zhǎng)量，可由下式求得:

（3）

er為介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)，由邊緣效應(yīng)決定，可由下式求得:

（4）

圖2 ?天線單元結(jié)構(gòu)示意圖 考慮到天線需要共形在錐面上，饋線如果太細(xì)，那么在實(shí)際加工及調(diào)試過(guò)程中就會(huì)比較容易被折斷，所以考慮到這些問(wèn)題，根據(jù)微帶線特性阻抗設(shè)計(jì)公式計(jì)算，在er=10.2，基片厚度為0.6mm的情況下，輸入阻抗為50Ω的饋線寬度為0.6mm;輸入阻抗為20Ω的饋線寬度為2.5mm。顯然在20Ω時(shí)的饋線就比較不容易被折斷，所以本文設(shè)計(jì)單元的輸入阻抗為20Ω。

通過(guò)在天線單元邊緣開槽使微帶饋線深入單元內(nèi)部的方法，能夠很好的調(diào)節(jié)單元的阻抗特性，實(shí)現(xiàn)天線單元的匹配，并能有效降低單元的尺寸。 天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中Wf為單元饋線的寬度，Ws為槽寬度，Ls為槽深。

3.2 ?饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

微帶天線陣的饋電方式主要包括串饋、并饋、反射陣面饋電等，并聯(lián)饋電方式中的T型結(jié)功分器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占據(jù)空間小、容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶等突出優(yōu)點(diǎn)[6]，因此，設(shè)計(jì)中采用由T型結(jié)功分器構(gòu)成的并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，使用等幅同相饋電方式。天線單元的輸入阻抗為20Ω，陣列總端口的輸入阻抗為50Ω，所以首先要利用λ/4阻抗變換線，使20Ω與100Ω阻抗相匹配，通過(guò)計(jì)算得出λ/4阻抗變換傳輸線的特性阻抗約等于45Ω，寬度為0.7mm。

通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)的有效彎折和總體合理布局可大大減小天線陣的大小，圖3給出了天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖3 ?天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 ?天線陣實(shí)測(cè)結(jié)果

本文根據(jù)天線的設(shè)計(jì)和仿真，研制出小型化GPS錐面共形天線陣的試驗(yàn)樣機(jī)，并用金屬椎體模擬了真實(shí)彈頭，對(duì)研制的天線進(jìn)行了電特性測(cè)量[7]。圖4所示的是天線陣樣機(jī)平面圖。

圖4 ?天線陣樣機(jī)平面圖

在微波暗室、遠(yuǎn)區(qū)條件下，用自制的天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在f0=1.575GHz時(shí)對(duì)該天線的E面和H面方向圖進(jìn)行了實(shí)測(cè)，如圖5所示。

a 天線陣的E面方向圖

b 天線陣的H面方向圖

圖5 ?天線的實(shí)測(cè)方向圖

從圖5a和5b中可以看出，天線陣的E面方向圖近似為偏向于共形體底部的一個(gè)“8”字形，H面方向圖近似全向，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

圖6 ?天線陣實(shí)測(cè)駐波曲線

圖6所示的是使用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行駐波系數(shù)(VSWR)測(cè)量的結(jié)果。由圖6可以看出天線陣的駐波系數(shù)小于2的帶寬為9MHz，在工作頻率f0=1.575GHz時(shí)，天線陣駐波系數(shù)為1.1。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

本文研究了小型化GPS錐面共形天線陣，文中通過(guò)調(diào)整單元的輸入阻抗解決了天線饋線由于過(guò)細(xì)易折斷的問(wèn)題，并進(jìn)一步縮小了單元尺寸且在陣元耦合強(qiáng)烈的情況下保證了中心頻率，而且穩(wěn)定了天線的輻射性能，實(shí)現(xiàn)了水平全向輻射的工程要求。我們研制出了共形在彈頭錐體上的小型化GPS共形天線陣實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其測(cè)量結(jié)果研究成果可應(yīng)用于工程實(shí)際，且具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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這種概念要求基站部署極大規(guī)模的天線陣列，可能包含成百上千的收發(fā)器。此概念稱為大規(guī)模MIMO。的確，大規(guī)模MIMO 脫離了當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)，可能是解決我們所面對(duì)的無(wú)線數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵；然而，在認(rèn)知大規(guī)模MIMO 廣泛部署的效能和/ 或可行性的過(guò)程中，出現(xiàn)了一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題，有人會(huì)創(chuàng)建一個(gè)原型，只為確定它是否真正行之有效嗎？畢竟，創(chuàng)建一個(gè)具有上千天線的原型會(huì)帶來(lái)若干工程上的挑戰(zhàn)，另外還有其他不可忽視的問(wèn)題，即成本和時(shí)間。

圖1. 2 天線MIMO 收發(fā)器。

MIMO背景

MIMO 依賴多路來(lái)提高無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的可靠性以及有效數(shù)據(jù)率，通常使用數(shù)根獨(dú)立天線獲得多個(gè)數(shù)據(jù)流。多路傳播是通信系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn)，實(shí)踐中采用MIMO，運(yùn)用空間- 時(shí)間編碼和/ 或空間分集等多種技術(shù)。4G 移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)LTE-A 規(guī)定MIMO 組態(tài)最多使用8 根天線。IEEE 802.11n/ac 標(biāo)準(zhǔn)以及這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際商業(yè)化均普遍使用MIMO。

基本上，更多天線會(huì)給傳播通道帶來(lái)更高的自由度，從而在數(shù)據(jù)率和/ 或鏈路可靠性方面擁有更高的性能。然而，總體數(shù)據(jù)率仍然受到香農(nóng)理論的限制。在多個(gè)用戶組成的網(wǎng)絡(luò)中，增大總體網(wǎng)絡(luò)吞吐量的一種方法是多用戶MIMO（MU-MIMO），其中，多個(gè)用戶可以同時(shí)訪問(wèn)同一時(shí)頻資源，但是通過(guò)多根天線產(chǎn)生的多“空間維度”實(shí)現(xiàn)隔離。

更多天線，更大容量，更高的可靠性

增大MU-MIMO 的規(guī)模， 稱為大規(guī)模MIMO，可以提供更大的網(wǎng)絡(luò)容量、更高的可靠性，并通過(guò)降低一個(gè)蜂窩或服務(wù)地區(qū)的總發(fā)射功率而提高大規(guī)模MIMO 基站的能量效率。理論上，每根天線的發(fā)射功率能夠低于以相同數(shù)據(jù)率為指定蜂窩或者地區(qū)服務(wù)的單根天線的發(fā)射功率。即，總功率為：

PTotMM ~ PT NT

其中，PTotMM 是每個(gè)地區(qū)的總傳輸功率，PT 是每根天線的功率，NT 是發(fā)射天線的數(shù)目。其中，PTotMM 低于單天線系統(tǒng)的PTot。與單天線系統(tǒng)相比，為了達(dá)到相同的可靠性和/ 或吞吐量，由于大規(guī)模MIMO 基站能夠憑借其更高的自由度而將發(fā)射的能量聚焦于目標(biāo)用戶，所以大規(guī)模MIMO 蜂窩拓補(bǔ)能夠降低分區(qū)地域的總發(fā)射功率。另外，當(dāng)使用多根天線時(shí)，從發(fā)射器至接收器的正確位發(fā)射概率會(huì)增大，因?yàn)殒溌分袛喔怕蕕 1 / SNR NT NR。

其中，SNR 是信噪比，NR 是接收天線的數(shù)目，NT 是發(fā)射天線的數(shù)目。由于此關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)中的天線數(shù)目增加時(shí)，鏈路中斷概率會(huì)降低，從而提高了通信鏈路可靠性。[1]

大規(guī)模MIMO 天線陣列基于這里所述的基本概念，按照理論，數(shù)百倍規(guī)模的天線部署將獲得比當(dāng)前MIMO 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)部署更高的效率。具體來(lái)說(shuō)，憑借數(shù)百根天線，天線孔徑和部署網(wǎng)格均有精細(xì)的多的分辨率。配合波束成形，能夠更加精細(xì)地控制天線波瓣，以降低通道中的能量。

大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)也有其挑戰(zhàn)。一個(gè)挑戰(zhàn)是尋找從接收器到發(fā)射器的通道狀態(tài)信息通信方法，以進(jìn)行預(yù)編碼。鑒于有數(shù)百根天線，通過(guò)導(dǎo)頻信號(hào)來(lái)推論通道狀態(tài)在實(shí)踐中是不可行的。因此，目前實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模MIMO只能實(shí)際使用依賴于通道互易的時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)，然而要確定此方法的可行性，還需要進(jìn)行更多研究。另外，一些初步研究提出，系統(tǒng)中的熱噪聲對(duì)于如此之多的天線來(lái)說(shuō)不必過(guò)于關(guān)注，并且干擾器的影響成為更大的問(wèn)題。這些挑戰(zhàn)以及其他挑戰(zhàn)，可以在開發(fā)出有效的原型之后使用實(shí)際波形來(lái)進(jìn)行研究。

2. M 用戶N 天線大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)。

圖3. 典型1×1 軟件定義無(wú)線電體系結(jié)構(gòu)。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的原型制作

制作大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)的原型需要預(yù)先進(jìn)行許多工作，以便仔細(xì)、恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)實(shí)際運(yùn)作系統(tǒng)。大多數(shù)研究人員會(huì)發(fā)現(xiàn)，甚至制作只有2 天線的最低組態(tài)MIMO 收發(fā)器系統(tǒng)也是極具挑戰(zhàn)性的（參見(jiàn)圖1）。為設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO 原型，首先繪制系統(tǒng)草圖（參見(jiàn)圖2）。在本練習(xí)中，基站處的天線數(shù)目N 為128，從而獲得128×128 MIMO 組態(tài)。組態(tài)假設(shè)M個(gè)移動(dòng)用戶使用SISO 天線。

在設(shè)計(jì)大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)時(shí)，需要考慮許多事項(xiàng)，包括發(fā)射功率、相鄰?fù)ǖ栏蓴_、頻譜罩等RF 系統(tǒng)參數(shù)。然而，大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是每根天線的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)吞吐量。從圖中可知，系統(tǒng)最具挑戰(zhàn)性的一個(gè)方面是將所有接收到的樣本聚合到公共處理子系統(tǒng)內(nèi)。與使用SISO 無(wú)線電的簡(jiǎn)單發(fā)射和接收通信不同，大規(guī)模MIMO 要求發(fā)射和接收元件之間擁有高速數(shù)據(jù)吞吐，以及高基帶，并且其數(shù)量級(jí)高于目前部署的系統(tǒng)。

可以選擇在靠近天線處的節(jié)點(diǎn)，以分布方式處理數(shù)據(jù)流，但是為了恢復(fù)從不同用戶處收到的信號(hào)，或者有效地為不同用戶進(jìn)行信號(hào)預(yù)編碼，必須將從各個(gè)天線接收到的數(shù)據(jù)流聚集在一個(gè)公共位置，以獲得最優(yōu)性能。通過(guò)仔細(xì)觀察吞吐量和數(shù)據(jù)要求，我們將系統(tǒng)分成基本元件。這樣，我們就可以在原型的實(shí)際構(gòu)建中量化數(shù)據(jù)率，并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成、功率和成本之間取得平衡。

基線系統(tǒng)參數(shù)

典型SISO 無(wú)線電如圖3 所示。在該圖中，RF 信號(hào)下變頻或混合，濾波，放大，然后轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。發(fā)射過(guò)程的次序則相反。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)包含數(shù)百個(gè)這種基本SISO 元。為了使用現(xiàn)貨供應(yīng)設(shè)備，以降低成本和加快原型開發(fā)，假設(shè)每個(gè)同相正交樣本均為16 位。位數(shù)決定了動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)際上對(duì)于原型來(lái)說(shuō)過(guò)好了。減少分辨率位數(shù)會(huì)顯著降低數(shù)據(jù)吞吐量，特別是在聚集極多通道的時(shí)候。雖然16 位會(huì)增加數(shù)據(jù)路徑，并最終增加數(shù)據(jù)吞吐量要求——位數(shù)更多會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)路徑加寬和數(shù)據(jù)吞吐量要求增加——然而，現(xiàn)貨供應(yīng)組件和編程體系結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行自定義就能夠輕

松處理16 位樣本。

接下來(lái)考慮采樣率。接收鏈中的每個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）均必須以高于尼奎斯特通道帶寬的速率對(duì)下變頻波形進(jìn)行采樣。本例以LTE 作為基線，普通移動(dòng)通信場(chǎng)景，每個(gè)轉(zhuǎn)換器均以30.72 MS/s 的采樣率對(duì)接收到的波形進(jìn)行采樣。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換器可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，以提高分辨率，但是這會(huì)增加信號(hào)處理量，以便將數(shù)據(jù)率轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)處理模塊可以接受的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)吞吐量使用下述方程得到：（2 個(gè)樣本）（16 位/ 樣本或者2字節(jié)/ 秒）（采樣率）

對(duì)于上例：

（2 個(gè)樣本）（2 字節(jié)/ 秒）（30.72）= 122.88 MB/s對(duì)于上例系統(tǒng)，一個(gè)通道的聚集數(shù)據(jù)吞吐量等于122.88 MB/s。為擴(kuò)大到大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)，可以按照下文所述計(jì)算有效速率：總系統(tǒng)吞吐量（TST）=（吞吐率/ 通道）（天線數(shù)目）TST =（122.88 MB/s）（128）TST = 15.7 GB/s

這樣，如果所有通道均同時(shí)發(fā)射或接收，那么中央處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量將為15.7 GB/s。另外，將所有這些數(shù)據(jù)聚集到中央處理系統(tǒng)中，還要求處理引擎能夠接受此龐大的數(shù)據(jù)量，并且能夠進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，以便生成通信鏈路。上述簡(jiǎn)要分析揭示了兩個(gè)挑戰(zhàn)。首先，極少（如果有的話）低成本市售技術(shù)能夠滿足這些要求。其次，原型的數(shù)據(jù)量要求開發(fā)備選信號(hào)處理鏈分割技術(shù)，包括分布式實(shí)現(xiàn)和并行實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)審查可用的原型制作技術(shù)，我們提出了一種可以用作大規(guī)模MIMO 原型構(gòu)建數(shù)據(jù)框架的高速串行總線的簡(jiǎn)要研究。

表1 概述了目前的一些市售高速總線技術(shù)。當(dāng)然還有其他總線，然而上表提供的是目前常用的許多標(biāo)準(zhǔn)而非專有總線技術(shù)的指南。另外，這些總線技術(shù)已經(jīng)用于許多模塊化體系結(jié)構(gòu)，例如PXIe，基本上基于PCIe 標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該考慮的一個(gè)規(guī)格是潛伏時(shí)間。潛伏時(shí)間是指發(fā)射與接收操作之間的周轉(zhuǎn)時(shí)間。如果原型是用于單向鏈路，那么潛伏時(shí)間不是特別重要。然而，對(duì)于真正的TDD 大規(guī)模MIMO 原型，必須考慮潛伏時(shí)間，因?yàn)橹芷跁r(shí)間比無(wú)線通道的相干時(shí)間更短，從而下行鏈路預(yù)編碼不是基于已經(jīng)過(guò)時(shí)的通道信息，這是至關(guān)重要的。上文給出的潛伏時(shí)間規(guī)格為近似值。然而，一般來(lái)說(shuō)，以太網(wǎng)的潛伏時(shí)間并非決定性的，可能會(huì)發(fā)生極大的變化。另一方面，以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)一般成本較低。

應(yīng)該指出，PCIe Gen 3 實(shí)現(xiàn)剛剛在市場(chǎng)上出現(xiàn)，實(shí)際吞吐數(shù)據(jù)測(cè)量值并不可用。另外應(yīng)該指出，雖然基本提供了最大/ 峰值數(shù)據(jù)率，然而由于成本、IP 核的尺寸，以及功率等原因，實(shí)際實(shí)現(xiàn)了總線的典型實(shí)現(xiàn)是不同的。所提供的典型數(shù)目?jī)H供參考，因?yàn)闃O少的（如果有的話）實(shí)現(xiàn)達(dá)到了所發(fā)布的最大速率。

圖4 所示是一個(gè)使用PXIe 的系統(tǒng)配置實(shí)例。在此組態(tài)中，總共使用了10 塊底板來(lái)實(shí)現(xiàn)128 根天線的大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)。系統(tǒng)用2 塊“主”底板來(lái)聚集數(shù)據(jù)，用8 塊底板來(lái)安裝128 個(gè)能夠在蜂窩帶進(jìn)行發(fā)射和接收的收發(fā)器（NI 5791 RF 收發(fā)器）。數(shù)據(jù)基干使用PCI Express Gen 2 ×8，通過(guò)合適的分割輕松采集和發(fā)射20MHz RF 帶寬數(shù)據(jù)。[2,3]

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成品如圖1。

圖1

國(guó)外資料推薦使用直徑10mm紫銅管彎成直徑為85-90cm環(huán)形作為初級(jí)線圈，考慮到重量，操作方便等因素，從銅鋁材商店購(gòu)進(jìn)直徑為13mm的紫銅管2.8m，彎成直徑為87cm的銅環(huán)。同時(shí)，采用1m的50塑料管支撐銅環(huán)。這是銅環(huán)上部的固定點(diǎn)（圖2）

圖2

銅環(huán)下部的固定點(diǎn)（圖3）。這里要注意的是要在銅管的兩端鉆好小洞，小洞可以擰上螺絲并可固定小焊片。銅環(huán)兩端固定完畢后，固定好焊接好引線的焊片，并將引線引出塑料管。

圖3

制作一個(gè)木板支架（圖4），注意要非常牢靠。

圖4

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通常GP天線用于21-29M頻段較為普遍，再低的頻段就不再使用GP天線了。此外，GP天線的防雷也比較難做，總不可能在天線旁邊樹一根比天線還高的鐵管做避雷針吧？

這是一支典型的DP天線的結(jié)構(gòu)，其中紅色部分為絕緣子，和兩端的牽引繩隔開。主振子長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)*0.95縮短率。為何要采用1/2波長(zhǎng)呢？這是因?yàn)?/2波長(zhǎng)中心抽頭后兩端各為1/4波長(zhǎng)，這樣天線的阻抗為50歐姆，才能夠和發(fā)射機(jī)相匹配。

DP天線主要采用天波通訊，遠(yuǎn)距離通訊的效果非常好，且架設(shè)簡(jiǎn)單，不需要豎起很高的天線，制作成本低廉，因此為大多數(shù)無(wú)線電愛(ài)好者所采用。DP天線有許多變形，下面我向大家一一做個(gè)介紹。

倒”V”天線，這是DP天線的一種變形方式，這樣做的一則可以節(jié)省天線的占地面積，另一方面，可以改善原先DP天線的近距離地波通訊效果。但這樣做之后，天線具有了方向性，參見(jiàn)圖中的最大輻射方向。

由于短波發(fā)射機(jī)可以工作在0-30M的各個(gè)波段，因此單一長(zhǎng)度的天線就不能滿足我們的需要了，而為每一個(gè)波段分別制作一根天線又不現(xiàn)實(shí)。

這樣，我們就需要一根多波段的倒”V”天線。這樣做的好處是節(jié)省占地面積，又不需要幾根天線來(lái)回切換。但這樣做的壞處是各波段振子相互影響，需要逐個(gè)修剪振子的長(zhǎng)度，以達(dá)到最佳的匹配狀態(tài)。

偶級(jí)天線需要制作兩半一模一樣的振子，對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的HAM來(lái)說(shuō)，一個(gè)小時(shí)就可以制作完成一副多波段天線。那么對(duì)于新手來(lái)說(shuō)，有什么好辦法可以立刻使用到手的機(jī)器呢？當(dāng)然可以！下面我們就來(lái)談?wù)剢螛O天線。

圖中所示的就是一根單極天線的原型。只要振子的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，就可以涵蓋各個(gè)頻段。單級(jí)天線只有一根振子，如果用作多頻段天線，需要使用天線調(diào)諧器來(lái)適合不同的頻段。

這也是單級(jí)天線的一種：WINDOM，譯稱溫頓天線，又稱偏饋天線。其振子長(zhǎng)度為1/2波長(zhǎng)*0.95，饋電點(diǎn)偏離中點(diǎn)14%，饋線為單根導(dǎo)線。

單極天線也可以做成多波段，這就是一支多波段單極天線，中心需要加1:5平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器。值得注意的是，單極天線可能帶有高壓，因此發(fā)射機(jī)必須可*接地，天線振子也要放置在無(wú)法觸及的地方，以防觸電。

其實(shí)短波天線并不神秘，只要經(jīng)過(guò)調(diào)整都可以很好地工作。例如我自制的”W”型天線，是倒”V”天線的一種變形，使用效果也很滿意。因此，只要掌握原理，開動(dòng)腦筋發(fā)揮您的想象，您也可以設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的短波天線！

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回波損耗：當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的部分能量將反射回去形成反射波。

TRP/TIS：指天線的輻射功率和天線的全向接收靈敏度。

駐波比：指模塊輸入的駐波系數(shù)和天線反射的駐波系數(shù)之間的比值。駐波比值要≤1.5最好。

SAR：每千克的物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)人體頭部接受的電磁能量。

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無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)。可見(jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。

手機(jī)不間斷地與基站聯(lián)系，依靠天線接收和發(fā)射天磁波，天線釋放出的電磁輻射功率約440微瓦/平方厘米，天線的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上需要考慮天線的效率和SAR，對(duì)于各頻段天線效率基本要求在30%以上。較高客戶要求在45％以上。

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天線是移動(dòng)通信系統(tǒng)中重要的組件。它負(fù)責(zé)發(fā)射及接收電磁波。

設(shè)計(jì)天線的理論基礎(chǔ)是Maxwell方程組。它把電與磁導(dǎo)入到同一個(gè)電磁場(chǎng)理論中去。

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“分形”這一概念是由法國(guó)數(shù)學(xué)家B.Mandelbrot 于1975年首次提出的,“分形（Fracta1）”這個(gè)名詞即拉丁文的“破碎”。分形幾何就是研究無(wú)限復(fù)雜而具有特定意義下的自相似圖形和結(jié)構(gòu)的幾何學(xué)，自相似就是局部的形態(tài)與整體形態(tài)的相似，分形具有兩大特征：自相似性和空間填充性(即分?jǐn)?shù)維)。

所謂分形天線，是指幾何屬性上具有分形特征的天線。世界上第一個(gè)分形天線是由美國(guó)科學(xué)家Dr．Nathan Cohen 于1988年完成的，而對(duì)分形天線進(jìn)行系統(tǒng)的研究是從1995年8月Cohen 發(fā)表他的第一篇有關(guān)分形天線方面的文章開始的。隨后，國(guó)際上很多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)開始對(duì)分形天線進(jìn)行研究。分形天線是分形電動(dòng)力學(xué)的眾多應(yīng)用之一。天線與陣列的分形設(shè)計(jì)是電磁理論與分形幾何學(xué)的融合，如我們熟悉的螺旋天線和對(duì)數(shù)周期天線等一類頻率無(wú)關(guān)天線都是分形天線，它已經(jīng)存在多年，但直到分形技術(shù)應(yīng)用后，它的性能才得以充分的理解。

傳統(tǒng)的微帶天線要實(shí)現(xiàn)其雙頻和多頻工作通常需要采用多個(gè)輻射單元的天線或電抗性負(fù)載貼片天線或多頻介質(zhì)諧振天線，這些都增加了天線的復(fù)雜性，同時(shí)，也增加了制作的難度和成本。現(xiàn)代無(wú)線通信要求用低剖面、小尺寸、多頻帶（寬頻帶）、可集成的天線，分形天線能更好的滿足這種要求。分形是通過(guò)迭代產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)維自相似結(jié)構(gòu)，其整體與局部、局部與局部之間都具有自相似性。因此，分形是一種與標(biāo)度無(wú)關(guān)的幾何，與寬帶天線的頻率無(wú)關(guān)性比較相似。將分形應(yīng)用于天線的設(shè)計(jì)主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)天線小型化和天線的多頻特性，分形天線解決了傳統(tǒng)天線的兩個(gè)局限性：(1) 通常天線的性能都依賴于天線的電尺寸。這就意味著對(duì)于固定的天線尺寸，主要天線參數(shù)（增益、輸入阻抗、方向圖和副瓣電平等）將隨著工作頻率的改變而改變。分形的自相似性使分形天線有多頻和寬頻特性。(2) 分形的空間填充性，使一些天線的尺寸得到減縮。

分形天線的研究和應(yīng)用，在軍事和民用方面都有著巨大的潛力，尤其在無(wú)線、衛(wèi)星和移動(dòng)通信系統(tǒng)中將會(huì)發(fā)揮巨大的作用，有著非常廣闊的市場(chǎng)前景。國(guó)外在分形天線單元和分形天線陣列研究方面已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但國(guó)內(nèi)在這方面的研究還很少，分形天線是分形理論和天線技術(shù)的融合，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)天線相比的許多優(yōu)勢(shì)，是近幾年天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

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