【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 據(jù)（317）式估算出的增益值還應(yīng)該再扣除一定的饋電網(wǎng)絡(luò)損耗，根據(jù)饋電網(wǎng)絡(luò)形式的差別，以及天線陣列長(zhǎng)度的不同，～1dB范圍?？紤]了各種實(shí)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(biāo)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(biāo)可查出相應(yīng)的增益數(shù)據(jù)。圖 314 天線增益與半功率波束寬度的關(guān)系三、電路參數(shù)天線總是與傳輸線連接在一起，在移動(dòng)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(guān)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(duì)天線進(jìn)行分析。等效的電路參數(shù)（或稱微波網(wǎng)絡(luò)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(wú)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(jìn)入天線端口的信號(hào)為復(fù)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(gè)復(fù)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(fù)數(shù)。反射系數(shù)確定之后，其余參數(shù)都很容易推導(dǎo)出來(lái)。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(fù)數(shù)模相加；電壓最小值為入射波與反射波之復(fù)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(fù)數(shù)相加；傳輸線上的歸一化電流為入射波與反射波的復(fù)數(shù)相減，于是有 回波損耗采用反射系數(shù)復(fù)模的對(duì)數(shù)分貝來(lái)度量，即 反射系數(shù)復(fù)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(guān)聯(lián)的，我們可以將其相互關(guān)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(dāng)VSWR進(jìn)一步減小時(shí)，相關(guān)指標(biāo)的變化對(duì)系統(tǒng)的性能并無(wú)可觀的改善。圖 316 駐波比與其它電路參數(shù)的關(guān)系當(dāng)同時(shí)存在2付或者多付天線時(shí)，每付天線都可以等效為一個(gè)電路(微波網(wǎng)絡(luò))端口，天線與天線之間的相互影響可通過(guò)端口之間的隔離度IL來(lái)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(shè)計(jì)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(duì)隔離度指標(biāo)加以限定。在圖317中，當(dāng)1端口的入射波為a1時(shí)，在2端口接收到一個(gè)反射波為b2，此時(shí)隔離度定義為兩個(gè)端口之間的傳輸系數(shù)S21: 無(wú)源三階互調(diào)PIM3也可以歸納為天線的電路參數(shù)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，有多個(gè)頻率載波同時(shí)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(guān)系但是，由于天線內(nèi)部金屬互連時(shí)出現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而引起非線性效應(yīng)，天線的輸出Uo變成當(dāng)aa……系數(shù)大到不能忽略不計(jì)時(shí)，將(325) 式代入(327)式并展開(kāi)，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(wú)源三階互調(diào)PIM3，它不但強(qiáng)度在所有的無(wú)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(yīng)，天線輻射的信號(hào)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(dāng)2f2f1頻率信號(hào)的幅度高于接收機(jī)的本底噪聲電平(比如說(shuō)107dBm)時(shí)，將對(duì)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(biāo)，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(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)時(shí)需要平衡考慮，在此基礎(chǔ)上才談得上優(yōu)化設(shè)計(jì)。天線的應(yīng)用背景不同，將體現(xiàn)出天線的個(gè)性，比如移動(dòng)通信天線需要實(shí)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(shè)計(jì)需要兼顧共性與個(gè)性的要求。實(shí)際上，一付性能良好的天線應(yīng)該是電氣指標(biāo)、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?cè)O(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)。由此，我們認(rèn)為移動(dòng)通信基站天線的設(shè)計(jì)理念應(yīng)該是一體化的設(shè)計(jì)思路，可歸納為：三維電磁輻射邊界的一體化設(shè)計(jì)在天線陣列理論中，通常假定金屬反射板尺寸為無(wú)限大，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)集中在天線輻射單元及其周期性結(jié)構(gòu)上。對(duì)于移動(dòng)通信基站天線，由于反射板的尺寸有限并受到約束，其對(duì)方向圖輻射指標(biāo)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(gè)整體，進(jìn)行一體化的電磁仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求獲得最佳的輻射參數(shù)指標(biāo)。天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)的一體化設(shè)計(jì)陣列天線輻射單元與饋電網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。由于陣列天線輻射單元之間存在互耦，導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)預(yù)先設(shè)計(jì)的電流幅度和相位分布產(chǎn)生畸變，從而引起饋電網(wǎng)絡(luò)的失配和VSWR的惡化。同時(shí)饋電網(wǎng)絡(luò)所采取的實(shí)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(lì)方式的不同，都會(huì)帶來(lái)寄生的輻射、泄漏、有害的表面波等等。這些足以導(dǎo)致前后比、交叉極化、隔離度、方向圖零點(diǎn)填充、副瓣抑制等指標(biāo)的變化。因此必須將天線陣列與饋電網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)整體，統(tǒng)一進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。輻射單元模塊的一體化設(shè)計(jì)對(duì)于177。45186。雙極化基站天線來(lái)說(shuō)，每一個(gè)輻射單元模塊包含兩個(gè)相互正交的極化單元，兩個(gè)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(shè)計(jì)方案，可以提升整體的輻射指標(biāo)性能。輻射參數(shù)的一體化設(shè)計(jì)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(diǎn)、副瓣電平等，這些指標(biāo)集中體現(xiàn)在方向圖之中。因此對(duì)方向圖的一個(gè)整體設(shè)計(jì)，可以獲得所有輻射參數(shù)指標(biāo)的平衡和最佳。同時(shí)，為了進(jìn)一步提升輻射參數(shù)指標(biāo)，還需要打破陣列天線設(shè)計(jì)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(biāo)。電氣性能與機(jī)械性能的一體化設(shè)計(jì)基站天線電氣指標(biāo)的設(shè)計(jì)首先是在機(jī)械尺寸限定的條件下進(jìn)行。以天線罩為例：理論上的設(shè)計(jì)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(duì)定位等，綜合優(yōu)化其穿透特性和反射特性。實(shí)際上需要兼顧電氣性能與機(jī)械性能上的結(jié)構(gòu)尺寸、體積、強(qiáng)度等指標(biāo)，首先在結(jié)構(gòu)上對(duì)天線罩進(jìn)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(gè)輻射邊界條件，平衡設(shè)計(jì)電氣和機(jī)械性能指標(biāo)。電氣性能與制造容差的一體化設(shè)計(jì)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(hào)都必須經(jīng)過(guò)大量的容差統(tǒng)計(jì)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(biāo)。電氣性能與工藝要求的一體化設(shè)計(jì)基站天線在工藝上應(yīng)該有整套嚴(yán)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(yàn)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(wú)源三階互調(diào)等指標(biāo)，以及保證所有電氣性能指標(biāo)的一致性、可靠性、安全性。這需要在工藝要求之下進(jìn)行電氣指標(biāo)的一體化設(shè)計(jì)。第二節(jié) 天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用一、多徑衰落與分集接收?qǐng)D36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(dòng)通信中，電磁波傳播特性除了和工作頻率有關(guān)，還和移動(dòng)的無(wú)線電環(huán)境（包括地形起伏與周圍建筑物等）、天線架設(shè)的高度以及傳播情況（例如視距（LOS）無(wú)線鏈路還是非視距（NLOS）無(wú)線鏈路、反射、繞射、散射、延遲、多普勒效應(yīng)等）有極大的關(guān)系。對(duì)在這樣復(fù)雜環(huán)境中傳播的信號(hào)的變化進(jìn)行精確特征的描述是非常困難的。圖 319 典型的移動(dòng)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(dòng)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(shù)林等），但移動(dòng)臺(tái)（手機(jī)）的位置較低，低于周圍的散射體，因此在基站和移動(dòng)臺(tái)之間通常是一條非視距（NLOS）無(wú)線傳播鏈路。尤其是在移動(dòng)臺(tái)周圍，平面波從各個(gè)不同的角度方向并以不同的時(shí)間延遲到達(dá)，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(dá)接收點(diǎn)的路徑長(zhǎng)度都不同。對(duì)于采用UHF波段的移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)，工作波長(zhǎng)為15~30cm左右，因此，不同傳播路徑長(zhǎng)度發(fā)生小的移動(dòng)也會(huì)在接收點(diǎn)位置產(chǎn)生大的相位變化。這種變化可以通過(guò)圖321加以描述：圖中假設(shè)有一直達(dá)信號(hào)和一反射信號(hào)，發(fā)射信號(hào)路徑長(zhǎng)度的不同導(dǎo)致其相位與直達(dá)信號(hào)存在差異，二者進(jìn)行矢量疊加，得到合成信號(hào)。合成信號(hào)的相位與直達(dá)信號(hào)不同，幅度上也有變化，幅度可以疊加增強(qiáng)，但多數(shù)時(shí)候是抵消