【文章內(nèi)容簡介】 據(jù)（317）式估算出的增益值還應該再扣除一定的饋電網(wǎng)絡損耗，根據(jù)饋電網(wǎng)絡形式的差別，以及天線陣列長度的不同，～1dB范圍?？紤]了各種實際因素，增益估算數(shù)據(jù)可以繪制成曲線查表，如圖314所示。圖中橫坐標為變化的θH3dB，而θV3dB選擇了7186。、14186。、28186。、78186。等幾種典型的取值，由此根據(jù)縱坐標可查出相應的增益數(shù)據(jù)。圖 314 天線增益與半功率波束寬度的關系三、電路參數(shù)天線總是與傳輸線連接在一起，在移動通信中，傳輸線通常采用同軸線結(jié)構(gòu)。天線和傳輸線的關系如圖315所示。在與傳輸線相連接的界面，可以將天線等效為電路端口，采用路的方法對天線進行分析。等效的電路參數(shù)（或稱微波網(wǎng)絡參數(shù)）主要包括：反射系數(shù)Γ、電壓駐波比VSWR、輸入阻抗Zin、回波損耗RL、反射功率比Pr/Pi、傳輸損耗TL、隔離度IL、無源三階互調(diào)PIM3等等。圖 315 天線與傳輸線的連接觀察圖315，進入天線端口的信號為復數(shù)的入射波a，由于天線與傳輸線之間阻抗存在失配，引起一個復數(shù)的反射波b。反射波與入射波之比稱為反射系數(shù)，即反射系數(shù)Γ為復數(shù)。反射系數(shù)確定之后，其余參數(shù)都很容易推導出來。首先看電壓駐波比VSWR，它定義為傳輸線上的電壓最大值與電壓最小值之比。顯然，電壓最大值為入射波與反射波之復數(shù)模相加；電壓最小值為入射波與反射波之復數(shù)模相減，即 天線的輸入阻抗為電壓與電流之比，傳輸線上的歸一化電壓為入射波與反射波的復數(shù)相加；傳輸線上的歸一化電流為入射波與反射波的復數(shù)相減，于是有 回波損耗采用反射系數(shù)復模的對數(shù)分貝來度量，即 反射系數(shù)復模的平方為反射的功率比因此，傳輸?shù)教炀€上的功率為1|Γ|178。，于是得到傳輸損耗為 反射系數(shù)Γ、電壓駐波比VSWR、回波損耗RL、反射功率比Pr/Pi等參數(shù)是相互關聯(lián)的，我們可以將其相互關系繪制成曲線查表如圖316所示。，、回波損耗RL為14dB、反射功率比Pr/Pi為4%。當VSWR進一步減小時，相關指標的變化對系統(tǒng)的性能并無可觀的改善。圖 316 駐波比與其它電路參數(shù)的關系當同時存在2付或者多付天線時，每付天線都可以等效為一個電路(微波網(wǎng)絡)端口，天線與天線之間的相互影響可通過端口之間的隔離度IL來衡量。圖 317 雙極化天線之間的隔離度圖317示意出雙極化基站天線，它包含處于同一位置上的+45度線極化和45度線極化二付天線，雖然設計二付天線為極化相互正交，但是彼此之間仍然存在相互耦合。為了在雙工狀態(tài)下能夠正常工作，需要對隔離度指標加以限定。在圖317中，當1端口的入射波為a1時，在2端口接收到一個反射波為b2，此時隔離度定義為兩個端口之間的傳輸系數(shù)S21: 無源三階互調(diào)PIM3也可以歸納為天線的電路參數(shù)。在移動通信系統(tǒng)中，有多個頻率載波同時輸送到天線工作，即其中ω=2πf為角頻率。理想情況下，天線的輸出Uo與Ui成線性關系但是，由于天線內(nèi)部金屬互連時出現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而引起非線性效應，天線的輸出Uo變成當aa……系數(shù)大到不能忽略不計時，將(325) 式代入(327)式并展開，可以得到更多的頻率分量其中2f1f2和2f2f1的頻率分量為(329)式稱為無源三階互調(diào)PIM3，它不但強度在所有的無源互調(diào)產(chǎn)物中最大，而且其互調(diào)頻率2f1f2和2f2f1與原f1和f2頻率很靠近，如圖318所示。觀察圖318，頻率f1和f2輸入到天線，由于非線性效應，天線輻射的信號除頻率f1和f2外，至少還包括頻率2f1f2和2f2f1，由于處于下行頻段的f1和f2相差Δ，三階互調(diào)頻率2f2f1與f2也相差Δ，因此2f2f1可能落入上行接收頻段。當2f2f1頻率信號的幅度高于接收機的本底噪聲電平(比如說107dBm)時，將對上行接收產(chǎn)生干擾，因此需要予以抑制。圖 318 三階交調(diào)的產(chǎn)生小結(jié)：天線包含眾多的參數(shù)指標，它們都可以歸納為輻射參數(shù)或電路參數(shù)。輻射參數(shù)歸結(jié)為方向圖特性的設計，電路參數(shù)是天線高效率輻射的保證。輻射參數(shù)和電路參數(shù)是天線的共性，在設計時需要平衡考慮，在此基礎上才談得上優(yōu)化設計。天線的應用背景不同，將體現(xiàn)出天線的個性，比如移動通信天線需要實現(xiàn)抗多徑衰落、抗同頻干擾、滿足最佳覆蓋等要求(在下一章節(jié)討論)。天線電性能設計需要兼顧共性與個性的要求。實際上，一付性能良好的天線應該是電氣指標、結(jié)構(gòu)性能、工藝水平三者的完美統(tǒng)一與和諧，這是我們設計所追求的目標。由此，我們認為移動通信基站天線的設計理念應該是一體化的設計思路，可歸納為：三維電磁輻射邊界的一體化設計在天線陣列理論中，通常假定金屬反射板尺寸為無限大，設計的重點集中在天線輻射單元及其周期性結(jié)構(gòu)上。對于移動通信基站天線，由于反射板的尺寸有限并受到約束，其對方向圖輻射指標的影響與天線輻射單元的地位同等重要。因此，必須將包含天線輻射單元和反射板在內(nèi)的所有三維電磁輻射邊界作為一個整體，進行一體化的電磁仿真優(yōu)化設計，以求獲得最佳的輻射參數(shù)指標。天線陣列與饋電網(wǎng)絡的一體化設計陣列天線輻射單元與饋電網(wǎng)絡互聯(lián)。由于陣列天線輻射單元之間存在互耦，導致饋電網(wǎng)絡預先設計的電流幅度和相位分布產(chǎn)生畸變，從而引起饋電網(wǎng)絡的失配和VSWR的惡化。同時饋電網(wǎng)絡所采取的實現(xiàn)形式不同、布局不同、在反射板正面或反面的位置的不同；以及饋電激勵方式的不同，都會帶來寄生的輻射、泄漏、有害的表面波等等。這些足以導致前后比、交叉極化、隔離度、方向圖零點填充、副瓣抑制等指標的變化。因此必須將天線陣列與饋電網(wǎng)絡作為一個整體，統(tǒng)一進行優(yōu)化設計。輻射單元模塊的一體化設計對于177。45186。雙極化基站天線來說，每一個輻射單元模塊包含兩個相互正交的極化單元，兩個極化的相互作用必定影響其交叉極化特性和隔離度特性，因此將輻射單元模塊采用一體化設計方案，可以提升整體的輻射指標性能。輻射參數(shù)的一體化設計天線的輻射參數(shù)包含增益、方向性系數(shù)、半功率波束寬度、前后比、交叉極化電平、方向圖零點、副瓣電平等，這些指標集中體現(xiàn)在方向圖之中。因此對方向圖的一個整體設計，可以獲得所有輻射參數(shù)指標的平衡和最佳。同時，為了進一步提升輻射參數(shù)指標，還需要打破陣列天線設計理論的常規(guī)，突破三維電磁邊界條件為周期性規(guī)律的原則，電磁邊界優(yōu)先采用非周期結(jié)構(gòu)，單元間距也可優(yōu)先采用非周期結(jié)構(gòu)，從而在三維電磁邊界上形成特殊的口徑電流分布，如此，可獲得高性能的輻射參數(shù)指標。電氣性能與機械性能的一體化設計基站天線電氣指標的設計首先是在機械尺寸限定的條件下進行。以天線罩為例：理論上的設計是考慮罩體的材料特性εr、tgδ、厚度、形狀以及與天線陣列的相對定位等，綜合優(yōu)化其穿透特性和反射特性。實際上需要兼顧電氣性能與機械性能上的結(jié)構(gòu)尺寸、體積、強度等指標，首先在結(jié)構(gòu)上對天線罩進行限定，得到最薄的厚度和最小的輪廓尺寸，然后將非金屬的天線罩作為輻射邊界條件的一部分，調(diào)整和優(yōu)化整個輻射邊界條件，平衡設計電氣和機械性能指標。電氣性能與制造容差的一體化設計加工公差與裝配公差總是存在，并且在一定范圍內(nèi)允許。每一產(chǎn)品型號都必須經(jīng)過大量的容差統(tǒng)計分析和優(yōu)化設計，由此確定出最佳的三維電磁邊界條件，以獲得穩(wěn)定和變化度微小的電氣性能指標。電氣性能與工藝要求的一體化設計基站天線在工藝上應該有整套嚴格的規(guī)范要求，比如良好的防雷接地方式、不同金屬之間的互連方式、金屬與非金屬之間的互連方式、金屬的焊接方式、電鍍方式等等。在經(jīng)驗積累下的這些規(guī)范要求才可以保證基站天線獲得優(yōu)良的無源三階互調(diào)等指標，以及保證所有電氣性能指標的一致性、可靠性、安全性。這需要在工藝要求之下進行電氣指標的一體化設計。第二節(jié) 天線在移動通信中的應用一、多徑衰落與分集接收圖36和圖37的電磁波傳播特性屬于理想的自由空間傳播情況。在移動通信中，電磁波傳播特性除了和工作頻率有關，還和移動的無線電環(huán)境（包括地形起伏與周圍建筑物等）、天線架設的高度以及傳播情況（例如視距（LOS）無線鏈路還是非視距（NLOS）無線鏈路、反射、繞射、散射、延遲、多普勒效應等）有極大的關系。對在這樣復雜環(huán)境中傳播的信號的變化進行精確特征的描述是非常困難的。圖 319 典型的移動通信傳播環(huán)境圖 320 傳播環(huán)境中的多徑射線典型的移動通信傳播環(huán)境如圖319所示。通?；咎炀€的高度高于附近的散射體（如建筑物、樹林等），但移動臺（手機）的位置較低，低于周圍的散射體，因此在基站和移動臺之間通常是一條非視距（NLOS）無線傳播鏈路。尤其是在移動臺周圍，平面波從各個不同的角度方向并以不同的時間延遲到達，這種特性稱為多徑傳播。觀察圖320傳播環(huán)境中的多徑射線，它們包括了反射、散射、繞射、透射等情況，每一條射線到達接收點的路徑長度都不同。對于采用UHF波段的移動通信來說，工作波長為15~30cm左右，因此，不同傳播路徑長度發(fā)生小的移動也會在接收點位置產(chǎn)生大的相位變化。這種變化可以通過圖321加以描述：圖中假設有一直達信號和一反射信號，發(fā)射信號路徑長度的不同導致其相位與直達信號存在差異，二者進行矢量疊加，得到合成信號。合成信號的相位與直達信號不同，幅度上也有變化，幅度可以疊加增強，但多數(shù)時候是抵消