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押黠元
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1 本科生课程天线 CAD Computer Aided Design of Antennas 第 15 讲基站天线与移动终端天线

2 本科生课程天线 CAD Computer Aided Design of Antennas 基站天线移动终端天线基本概念主要参数常用形式设计方法常用形式设计方法

3 3 基本概念无线通信已深入到我们每一个人的日常生活中, 手机,PDA, 移动电视, 无线路由器笔记本电脑, 五花八门的无线电子产品不断涌现, 给我们的生活带来了方便

4 4 基本概念无线通信从第一代 ( 模拟 ), 经第二代 (GSM 等 ), 发展到了今天的第三代 (TD-SCDMA WCDMA 等 ), 正向着第四代 (WiMAX UWB 等 ) 迈进主要通信体制 : GPRS G (GSM DCS PCS PHS CDMA) (TD-SCDMA WCDMA CDMA-2000) (WIMAX UWB) 此外, 还有 Bluetooth WLAN Zigbee

5 5 基本概念无线通信传输距离与传输速率

6 6 基本概念 GSM(Global System for Mobile Communications), 全球移动通讯系统, 起源于欧洲的移动通信技术标准, 属第二代移动通信技术, 可谓第二代移动通信最为成熟体制我们主要围绕 GSM 通信进行讨论工作频段 : GSM ( MHz, MHz 960MHz ), DCS( MHz, MHz), PCS 多址 :FDMA+TDMA, 信道 :200kHz, 时隙 : 一帧 8 时隙

7 7 基本概念 GSM 无线移动通信系统主要由交换网路子系统 (NSS) 无线基站子系统 (BSS) 和移动台 (MS) 三大部分组成与天线设计相关的主要是基站和移动台 ( 移动终端 ) 两个部分

8 8 基本概念基站 : 通过移动通信交换中心, 与移动终端进行信息传递移动终端 : 是一个总称, 包括手机 PDA 笔记本电脑

9 9 基本参数常规电性能参数基站天线 : 工作频带 VSWR 增益极化方式波束宽度前后比隔离度等移动终端 : 工作频带 VSWR 增益方向图效率等

10 10 基本参数特殊电性能参数基站天线 : 交叉极化三阶交调主瓣下倾角上旁瓣抑制零点填充等移动终端 :SAR 等

11 11 基本参数交叉极化 : 天线可能在非预定的极化方向上产生极化分量, 称作交叉极化波, 或叫作正交极化波一单极子天线为例, 垂直极化为预期极化, 水平极化分量则为交叉极化波 ( 圆极化有没有交叉极化波?) 在基站天线中, 交叉极化通常用交叉极化鉴别率来表征交叉极化鉴别率 = 预期极化波功率交叉极化波功率

12 12 基本参数天线的三阶交调, 也称三阶无源互调交调 : 在射频或微波有源电路中, 由于有源器件客观上存在非线性, 当输入端存在两个以上的信号时, 输出端信号就会包含上述频率的组合信号其中三阶交调产物对系统的影响最大天线尽管是由无源材料制成, 但同样存在交调现象基站天线一般有苛刻的三阶交调要求 ( 小于 -107dBm), 以满足整个通信系统的要求

13 13 基本参数由交调原因产生交调信号频率 ( 注意三阶交调频率 ))

14 14 基本参数手机的 SAR 指标 SAR(Specific Absorption Ratio), 表征人体组织吸收电磁波的程度手机工作时辐射电磁波, 使用者肌体, 特别是头部吸收部分电磁波能量过量的电磁波照射有可能造成人体组织损伤, 为此国外和国内均对手机的 SAR 值提出指标要求 SAR= E 2 2 肌体密度 ANSI/IEEE 1.6W/kg 0.08W/kg 最大值平均值

15 15 基本参数手机的 SAR 指标

16 16 手机天线常用天线形式手机天线通常从外观上分类 : 外置天线和内置天线外置天线内置天线天线形式拉杆天线螺旋天线平面单极天线等平面倒 F(PIFA) 天线平面单极天线等典型天线螺旋天线 PIFA 天线实例

17 17 手机天线设计螺旋天线 ( 设计简单, 变距双频 )) fl H 1 H f 2 H

18 18 手机天线设计印刷形式螺旋天线 (FR4) Trace PCB(FR4) Via

19 19 手机天线设计 PIFA PIFA 天线由微带天线演变而来, 通过接地可使天线尺寸减小一半接地偏置到贴片的一个顶点可进一步使天线小型化地板模拟手机印制电路板顶片天线辐射体接地馈电

20 20 手机天线设计对 PIFA 天线的辐射体开槽, 不仅实现双频, 同时也可使天线进一步小型化 GSM( MHz) DCS( MHz)

21 21 手机天线设计 PIFA 天线基本特征与设计原则天线下面有金属层作为地, 构成缝隙辐射结构 ; 天线辐射体与地之间的个高度尤为重要, 它制约着天线的阻抗带宽

22 22 手机天线设计平面单极天线 ( 内置外置 ) 将单极天线平面化降低天线高度, 满足手机结构要求开槽多频工作实现双频或

23 23 手机天线设计 7 特殊形式的单极天线 Feed point x o z y Antenna element 88 40

24 24 手机天线设计特殊形式的 PIFA 天线 ( 多频 )

25 25 手机天线设计笔记本电脑 (WLAN 天线, 倒 F 天线 )

26 26 手机天线设计手机天线方向图测试由于测试电缆线的影响, 精确测量手机天线的方向图是比较困难的为了减小电缆线的影响, 可在同轴电缆线外穿上磁珠, 实现扼流

27 27 手机天线设计多探头测试系统

28 28 手机天线设计手机天线 SAR 测试配制液体模拟人体组织介电常数导电率等, 放入仿真模型中, 用探针测试手机工作时不同位置的场强值 SAR SAR 问题解决通常是一个较为棘手的问题,

29 29 手机天线设计手机天线阻抗匹配电路为了便于天线设计, 在手机主板上通常预留 T 型或 П 的匹配电路设计方法 : 实验调试计算机辅助优化设计

30 30 基站天线常用形式用作基站天线的天线形式很多, 我们择其几种主要形式进行讨论, 大体按如下次序分类基站天线室外室内全向天线定向天线智能天线吸顶天线壁挂天线

31 31 基站天线常用形式与设计方法全向基站天线 ( 底馈缝隙耦合套筒偶极子共线阵天线 )

32 32 基站天线常用形式形式与设计方法全向基站天线 ( 结构, 参数, 接地防雷 ) 2 g L 1 L 2 接地防雷

33 33 基站天线常用形式与设计方法全向基站天线应用实例小灵通基站天线组阵, 智能 / 空间分集特点 : 结构简单成本低增益可达到 10dBi VSWR 1.5 带宽 5% 波束下倾接地防雷

34 34 基站天线常用形式与设计方法定向基站天线 ( 板状天线, 偶极子阵单极化 )

35 35 基站天线常用形式与设计方法定向板状基站天线单元天线, 通常采用具有巴伦结构的偶极子天线, 为了实现宽带或多频工作特性, 需要优化设计振子结构或尺寸, 甚至附加寄生振子反射板, 使天线具有定向性, 侧边改善 H 水平面波束宽度和前后比接地板, 改善 E 面波束宽度

36 36 基站天线常用形式与设计方法定向板状基站天线典型指标 ( 电指标 ) 频率范围 Frequency Range 824~960 MHz 极化 Polarization 垂直增益 Gain 15 dbi 水平瓣宽 Horizontal Beamwidth 65 垂直瓣宽 Vertical Beamwidth 13 主瓣下倾 Electrical Downtilt 0 前后比 Front-to-back Ratio 25 db 驻波比 VSWR/50 Ohms 1.5 功率容量 Maximum Input Power 500 W 雷电防护 Lightning Protection 直流接地接头 Connector 7/16Female(DIN 头 )

37 37 基站天线常用形式与设计方法波束赋形基站天线主瓣下倾上旁瓣抑制零点填充

38 38 基站天线常用形式与设计方法电调基站天线 ( 波束下倾角控制 ))

39 39 基站天线常用形式与设计方法电调基站天线移相器调整介质片位置改变波导波长改变相位差

40 40 基站天线常用形式与设计方法室内分布系统天线吸顶天线结构形式 : 单锥双锥盘锥锥等接地线 : 防雷小型化阻抗匹配

41 41 基站天线设计方法基站天线的交调问题 ( 产生交调的原因 ) 焊接质量问题金属接触面涂敷或电镀电隧道效应非磁性材料磁阻效应铁磁材料的磁导率变化造成的非线性

42 42 基站天线设计方法基站天线的交调问题 ( 解决办法 ) 减少焊接点增加金属接触面避免不同金属材料接触不使用含铁镍的金属材料不是用高化学电位差的材料 ( 腐蚀层具有半导体效应 )

43 43 智能天线智能天线分类 : 波束切换天线波束形成天线多入多出天线 (MIMO)

44 44 智能天线智能天线波束形成智能天线 ( 跟踪移动用户 + 主动抑制干扰 )

45 45 智能天线波束形成智能天线组成框图

46 46 智能天线波束形成智能天线工作原理 ( 以接收为例 ) 阵列中每一个单元天线独立接受信号射频通道进行放大变频等模数转换 (A/D) 形成数字流计算波束形成所需权值干扰 ) 施加权值形成波束 ( 跟踪用户抑制发射过程可视作接收的逆过程, 不过在放射状态下, 大功率的无线电波空间合成, 实现过程较为复杂为此为此, 发射多采用全向

47 47 智能天线波束形成智能天线天线阵列圆阵方阵三角形阵射频通道一致性校准数字信号处理波束形成算法 (LMS RLS 等 ), 波达估计 DOA (MUSIC 算法等 )

48 48 作业上机实验 ( 期中成绩 ) 时间 :10 小时地点 : 新校区机房教学方式 : 学生自主完成, 教师现场答疑教学目的 : 通过实例掌握电磁仿真软件上机题目 : 任选一个习题 ( 课程教学过程中的习题 ), 使用课堂介绍的电磁仿真软件 (HFSS CST FEKO IE3D 等 ) 完成建模仿真全过程, 整理并提交实验报告, 总结使用技巧及心得

49 49 作业上机大作业 ( 期末成绩 ) 时间 :10 月 23 日 11 月 30 日, 12 月 1 日提交题目 :( 第 3 题必选, 第 1 2 题选一 ) 1. 设计一付工作频率 MHz 对数周期天线, 要求带内增益大于 6.0dBi,VSWR 小于 2.0, 确定结构参数, 给出设计过程和设计结果 ( 包括 VSWR 方向图 ) 2. 设计一付工作频率 GHz 八木宇田天线, 要求带内增益大于 13.0dBi,VSWR 小于 2.0, 确定结构参数, 给出设计过程和设计结果 ( 包括 VSWR 方向图 )

50 50 作业上机大作业 ( 期末成绩 ) 3. 设计一付工作频率为 1616±5MHz 圆极化微带天线, 微波基板介电常数为 2.2, 厚度为 1.5mm 要求带内增益大于 4.0dBi,VSWR 小于 2.0, 轴比小于 3dB 确定结构参数, 给出设计过程和设计结果 ( 包括 VSWR 方向图, 轴比等指标 ) 最后, 撰写报告 ( 统一格式, 包括封皮, 总结课程学习心得 )

51 51 作业文献翻译 ( 期末成绩 ) 在 IEEE/IEE 上, 任选一篇与天线设计相关的文献 ( 尽可能与课堂教学相关 ) 并进行翻译

使命世界知名的射频及光纤综合解决方案供应商, 具备设计制造及部署电信网络的综合实力通过创新的产品定制化的服务及注重成本效益的方案, 我们着眼于为客户创造价值拥有先进的制造设备, 制定了严格的产品质量标准以及完善的供应链管理系统, 使得我们能达到以及超过客户期望社会责任感我们注重社会责任

使命世界知名的射频及光纤综合解决方案供应商, 具备设计制造及部署电信网络的综合实力通过创新的产品定制化的服务及注重成本效益的方案, 我们着眼于为客户创造价值拥有先进的制造设备, 制定了严格的产品质量标准以及完善的供应链管理系统, 使得我们能达到以及超过客户期望社会责任感我们注重社会责任基站天线使命世界知名的射频及光纤综合解决方案供应商, 具备设计制造及部署电信网络的综合实力通过创新的产品定制化的服务及注重成本效益的方案, 我们着眼于为客户创造价值拥有先进的制造设备, 制定了严格的产品质量标准以及完善的供应链管理系统, 使得我们能达到以及超过客户期望社会责任感我们注重社会责任及保护环境, 并且关心员工的个人发展核心价值创造价值关注客户持续增长社会责任公司简介