MIMO系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究_圖文

1、北京郵電大學碩士學位論文MIMO系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究姓名：肖麗華申請學位級別：碩士專業(yè)：電磁場與微波技術指導教師：李莉20090215北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究摘要多輸入多輸出（）系統(tǒng)是在發(fā)射端和接收端都采用多天線的系統(tǒng)。它可以在同一頻帶內，提供傳輸平行信息的幾個無線信道，并大大地增加系統(tǒng)的容量。目前，天線問題是限制技術在蜂窩移動通信和應用的一個重要因素。隨著技術的發(fā)展，對應用于系統(tǒng)天線的研究變得十分迫切，同時也具有理論意義和實用價值。本文系統(tǒng)而深入地概述了分集性能衡量指標，對空間分集、方向圖分集、極化分集的應用場景進行深入探討，進

2、而根據系統(tǒng)天線設計的要求和特點，結合當前典型的新型系統(tǒng)天線單元和天線陣列，詳盡地分析了它們的設計思路，指出了天線的發(fā)展方向，提出了多天線的設計思想與技術途徑。接著對極化分集天線進行研究，系統(tǒng)而完整地研究及設計了極化分集天線。仿真設計雙極化天線、三重極化天線、垂直極化狀態(tài)的方向圖可重構天線，均表現出較好的性能。方向圖可重構天線是天線設計的新思路。最后探討三維空間散射環(huán)境中，信道模型下天線方向性對空間衰落相關性和信噪比的影響，仿真研究均勻圓陣、線陣、矩形陣的多輸入多輸出系統(tǒng)信道容量。首次綜合性給出天線方向性對信道容量的影響，即當定向天線主瓣對準來波時，定向天線方向性引起的信噪比增加超過了其相關系數

3、對容量的負面影響，從而使信道容量整體優(yōu)于全向天線。天線單元方向性越強，信道容量越大。對如何合理設計系統(tǒng)發(fā)射和接收端天線陣列來進一步取得系統(tǒng)的容量增益具有現實意義。關鍵詞：天線設計極化分集天線雙極化天線方向圖可重構天線北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究?。ǎ?，：，北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究，：北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列沒計與研究獨創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北

4、京郵電大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。申請學位論本人簽名：處，本人承擔一切相關責任。日期：墜：！苧關于論文使用授權的說明學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬北京郵電大學。學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許學位論文被查閱和借閱；學校可以公布學位論文的全部或部分內容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定）保密論文注釋：本學位論文屬于保密在一年解密后適

5、用本授權書。非保密論文注釋：本學位論文本人簽名：導師簽名：本授權書。日期：竺：至：塵日期：邋：三：豎北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設汁與研究第一章緒論隨著用戶數目和數據業(yè)務的不斷增長，移動通信正在飛速發(fā)展，從年由貝爾公司首次研制的蜂窩移動通信系統(tǒng)問世以來，移動通信系統(tǒng)經歷了第一代模擬頻分系統(tǒng)，如、，目前廣泛應用的第二代數字蜂窩系統(tǒng)，如、，到即將投入商用的第三代移動通信系統(tǒng)，以及正在開展廣泛研究的第四代移動通信系統(tǒng)。提供的數據業(yè)務速率最高只能達到，而的最高數據傳輸速率將達到，可以提供高達的數據傳輸速率，支持從語音到多媒體，包括實時的多媒體業(yè)務，數據傳輸率可以根據這些業(yè)務的需要進行動態(tài)

6、調整。、要求在有限的頻譜資源上實現高速率和大容量，這需要頻譜效率極高的技術。但目前無線信道存在的多徑衰落、頻譜擁擠、噪聲干擾等問題大大影響了數據率的提高，一些傳統(tǒng)的技術方案將不能滿足用戶日益增長的需求，因此必須尋求新的技術手段，技術就是其中之一。多輸入多輸出（）技術是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，將多徑效應作為一個有利因素加以利用，信號通過發(fā)射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而改善每個用戶的服務質量（誤比特率或數據速率）。技術對于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來說，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業(yè)務。在技術中，發(fā)射與接收多天線系統(tǒng)是無線系統(tǒng)的重要

7、組成部分，當前系統(tǒng)的研究中，涉及到天線模塊時一般采用理想模型的方式，以減小系統(tǒng)的復雜度，很少涉及天線陣列單元的種類、形式，布局以及隨之而來的天線相關性對容量的影響。隨著系統(tǒng)的商用化，探索陣列的小型化也越來越緊迫。因此研究天線與系統(tǒng)性能的關系及天線設計意義深遠。原理簡析系統(tǒng)發(fā)展到今天有個從、到系統(tǒng)的演變過程。系統(tǒng)：即單輸入和單輸（）系統(tǒng)，即發(fā)射端和接收端各使用一根天線，提出了其容量計算公式，公式中的容量是有噪信道中進行可靠通信的上限速率。以后的電信工作者無論使用怎樣的調制方案和信道北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究編碼方法都只能接近而無法超過它。人們想到從提高頻譜的使用效率入手

8、，提高效率的方法有分集技術，發(fā)展了，系統(tǒng)。：即單輸入多輸出（），即發(fā)射端使用單根天線，接收端使用多根天線，這種分集通常稱為接收分集，采用最佳比合并的接收分集技術通常能改善接收端的，從而提高信道的容量和頻譜的使用效率。：即多輸入單輸，（）系統(tǒng)，即發(fā)射端使用多根天線，接收端使用單根天線，這種分集通常稱為發(fā)射分集，若發(fā)射端不知道信道狀態(tài)信息，無法在多發(fā)射天線中采用波束形成技術和自適應分配發(fā)射功率，則信道容量提高不是很多。：和技術的發(fā)展自然演變成技術，如圖所示。即在無線鏈路的兩端都使用多根天線，】和分別證明了系統(tǒng)與和系統(tǒng)相比，可以取得巨大的信道容量。技術利用多徑，只要各天線單元間距足夠大，無線信道的多

9、徑分量足夠豐富，那么天線接收到的多徑信號的衰落就趨于獨立。對于一個具有蜥副發(fā)射天線和即。副接收天線的系統(tǒng)，其發(fā)射信號經過空時編碼后形成個信息子流，以相同的頻率經不同的天線同時發(fā)射出去，經過多徑信道的傳播，這些并行子流以不同的路徑到達接收機，并由不同的天線接收，接收機利用空時解碼對各接收信號進行處理，并恢復出原始數據流。由于這些子流同時發(fā)送，占用同一頻帶，因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應相互獨立，則可以創(chuàng)造多個并行空間信道。所以說，系統(tǒng)可以充分利用無線信道的多徑傳播，獲取復用增益與分集增益，從而顯著提高無線鏈路的容量與質量。唧信源，空時編碼、彳彳弋鬈圖系統(tǒng)模型北京郵電大學碩士學位論

10、文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究研究內容當前多天線系統(tǒng)的主要研究內容有：空時編碼（）方案的研究，如空間分集（）、空間多路（）【卅、波束成型（）、預編碼（），復合技術【羽，無線傳播信道的測量與建模，分集技術與多天線設計與布局，互耦分析，信道相關性估計，信號檢測算法。技術的核心是空時信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結合起來進行信號處理，它有效地利用了隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務傳輸速率。開發(fā)誤碼性能與復雜度折衷的傳輸方案可獲取系統(tǒng)的實際增益。系統(tǒng)中的多天線能夠同時提供分集增益與復用增益，使該技術其具有無比優(yōu)越的速率。空間分集指分集最大化方案，即在多條獨立路徑

11、上傳輸相同的數據，接收端通過分集合并技術，提高傳輸的可靠性，降低誤碼率。典型的方案有即空時格形碼（），即空時分組碼（），其原理是利用系統(tǒng)的多天線實現天線分集。天線分集可以對抗信道衰落，提高無線鏈路的可靠性，并且聯合應用多維天線分集與時間分集，可以獲得更好的分集效果。系統(tǒng)結合天線分集與時間分集，還可同時獲得空間與時間維的分集效益，即通過空時編碼而增加傳輸的空時冗余信息，從而提高無線傳輸的穩(wěn)健性。空間復用指數據率最大化方案，即在多條獨立路徑上傳輸不同的數據流，從而提高總數據率，典型的是貝爾空時分層結構（）。無線信道的多徑傳播增加了系統(tǒng)可用的自由度，若各對收發(fā)天線路徑的衰落獨立，則空間矩陣信道創(chuàng)建了

12、多個并行的空間傳輸通道，利用并行通道傳輸獨立的信息流，從而提高系統(tǒng)的數據率。然而，純粹的天線分集與純粹的復用方案并非最優(yōu)方案，因為系統(tǒng)本身的自由度在給定天線配置下是有限的，二者之一都只解決了問題的一個方面，比如，獲取更高的分集增益是以犧牲更大的復用增益為代價的，反之亦然。由于二者的折衷方案可以同時獲得分集與復用增益，可能是最好的選擇，即傳輸誤碼率與速率的折衷方案。技術的應用技術最早是由于年提出，上世紀年代有入提出將北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究其用于通信系統(tǒng)，但奠基工作是年代由實驗室的學者完成的。年推導了衰落情況下的系統(tǒng)容量；年給出了一種多入多出處理算法對角貝爾實驗室分層

13、空時（。）算法；年等討論了用于多入多出的空時編碼弘】；年等人采用垂直一貝爾實驗室分層空時（）算法建立了一個實驗系統(tǒng)，在室內試驗中達到了以上的頻譜利用率；年月，朗訊公司貝爾實驗室研制出世界上第一顆芯片，這一芯片支持最高的天線布局，可處理的最高數據速率達到。年月，推出了芯片組，稱其是世界上第一款集成了多入多出（）技術的批量上市產品。當前，未來移動寬帶通信和無線接入融合系統(tǒng)是熱門的研究課題，而系統(tǒng)是人們研究較多的方向之一，并廣泛應用于各種移動通信系統(tǒng)中。今天，先進的（、和）應用普遍采用技術。標準已經采用空時發(fā)射分集（，）及閉環(huán)發(fā)射分集方式（）作為系統(tǒng)中的發(fā)射分集方案，而標準采用空時擴頻（，）和正交發(fā)

14、射分集（，）作為系統(tǒng)中的發(fā)射分集方案【。標準增強型采用了分層空時結構來實現高速數據傳輸，同時也采用空時發(fā)射分集來提高傳輸可靠性。在演進中，為支持更高的傳輸速率，也將采用技術。究竟采用哪一種技術目前還沒有確定，空間復用（）、預編碼（）、發(fā)射分集（）等都在考慮范圍之內。另外，技術的應用也會在上下行信道之間、控制信道與業(yè)務信道之間、廣播多播業(yè)務與單播業(yè)務之間存在差異。同時，在吸收設計思想的系統(tǒng)中處于重要位置，與的雙工技術和基于的多址接入技術并稱為三項關鍵技術。另一方面在系列中也得到了應用。從技術上說，如果說采用技術將從時域擴展到頻域，利用時頻二維傳輸提高了性能，那么下一個突破就是將傳輸再擴展到空間域

15、，利用空、時、頻三維來進一步提高性能，自然需要來增強性能，而同時也提供了技術應用的空間。而中的許多技術都需要在收發(fā)端均配置多天線，這對于體積嚴格受限的手機來說是困難的，但對于主要供計算機使用且很少在移動狀態(tài)下使用的是較容易的。且的工作頻段比手機高，相同條件下多天線之間的相關性也比手機小。從信息論的角度，所處的多徑散射十分豐富的室內環(huán)境，正提供了所要求的多個獨立信道。北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究在高吞吐量中，采用了分層空時結構和空時編碼兩種技術，最多支持發(fā)射接收天線，物理層最高速率。目前標準的制定己取得重大進展，支持該標準草案的芯片也已問世。在技術的商用化方面處于領先地位

16、。當前技術在局域網上的應用已經如火如荼，迫切需要天線設計的進一步發(fā)展，而在筆記本電腦上較大的空間實現優(yōu)良的天線設計都是可行的。作為解決最后一公里的最佳接入方式的無線寬帶接入技術，必須采用多天線技術來提高自身的競爭力。目前已經成為了中多天線的一個選項，并且在中也得到了體現。協(xié)議支持的模式分為種：空時發(fā)射分集模式、空間復用模式和分集與復用相結合模式。無線網絡通信正在不斷發(fā)生著變化。所有新的空中接（、下一代等等）都共享著技術。技術的廣泛應用迫切要求其各項技術的成熟。天線研究背景及現狀雖然技術廣泛應用于，（），等通信系統(tǒng)中，但迄今為止，其在蜂窩移動通信系統(tǒng)中還很少進行商業(yè)實現，在中的應用也受到一些因素

17、的限制，在無線局域網中網絡仍未大規(guī)模覆蓋。一個重要的因素就是天線問題以及由此帶來的相應的射頻單元引起的造價的提高。一方面由于受到接收機或發(fā)射機尺寸及結構的限制，往往要在有限的空間盡可能多地布置天線單元。這給天線單元和天線陣列設計帶來不小的挑戰(zhàn)。天線單元的設計、陣列單元的數目、陣列結構、陣列放置的方式等因素直接影響信道的空間相關性【。如何在有限的空間使陣列中各天線單元具有較小的相關性，使信道響應矩陣接近滿秩，并取得系統(tǒng)最大容量，迫切需要有效方法解決。結合具體應用，實際設計天線仍然面臨一些問題，如天線耦合、極化隔離、共形、機體對天線性能的影響等。當前基站端天線設計已有多種解決方案，移動臺端天線設計

18、依然是技術發(fā)展及應用的瓶頸，甚至可以說天線的發(fā)展制約及決定著未來無線通信發(fā)展。另一方面在收發(fā)兩端采用多天線技術，必然在收發(fā)端增加較多的射頻處理單元，射頻模塊的造價普遍相對昂貴，不利于技術的商用化。由于路由及網卡價格相對較高，同時用戶對高速率的需求不旺盛，市場蕭條，北京郵電丈學碩十學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究使得部分芯片廠商甚至打算在部分產品中暫且不引入多天線技術以降低價格?？梢婋S著技術的發(fā)展，對適用于系統(tǒng)的天線的研究變得十分迫切及重要，同時也具有理論意義和實用價值。在多天線的設計過程中，應當綜合考慮天線的體積、效率和多天線間信號的空域相關性等各方面因素。目前，對可用于系統(tǒng)的天線的研究卻

19、并不多見。論文的結構安排本論文的目標是：總結出通信系統(tǒng)與天線相關的性能衡量指標；歸納國內外典型及新型的天線設計方案，為天線設計提供思路；對極化分集進行仿真及研究；探索天線方向性及陣列形式對系統(tǒng)信道相關性及容量的影響?；诖?，論文分為六章：第一章簡介原理、研究內容、技術的應用情況及系統(tǒng)天線研究背景及狀況，指出天線的發(fā)展制約及決定著未來無線通信的發(fā)展，讓讀者對系統(tǒng)及天線設計有初步介紹，對后續(xù)工作有清晰整體的了解。第二章總結系統(tǒng)分集性能衡量指標，即分集增益、空間相關性、分支功率比、容量，對空間分集、極化分集、方向圖分集三種分集方式應用場景進行歸納，該工作為下一步天線設計提供理論基礎。第三章給出系統(tǒng)天

20、線設計要求和特點，總結及歸納當前典型的新型系統(tǒng)天線單元和天線陣列，簡介了分形天線、電磁帶隙基片天線、多頻段天線等天線單元，多端口天線陣、多模天線、開關寄生天線陣、袖珍立方布局天線陣等天線陣列，詳盡地分析了它們的設計思路，指出了天線的發(fā)展方向，提出了多天線的設計思想與技術途徑。第四章對極化分集天線設計進行研究仿真，探討了極化的機理及定義，系統(tǒng)全面地研究了極化分集天線，仿真研究雙極化天線陣，三重極化天線陣，垂直極化方向圖可重構天線，均取得較好的性能。第五章最后探討了空間分集下陣列形式及單元方向圖對系統(tǒng)容量的影響。探討三維空間散射環(huán)境中，信道模型下天線方向性對空間衰落相關性和信噪比的影響，仿真研究均

21、勻圓陣、線陣、矩形陣的多輸入多輸出系統(tǒng)信道容量首次綜合性給出天線方向性對信道容量的影響，得出了一些關鍵及有意義的結論。第六章對全文進行總結，并對未來的工作提出意見和建議。北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究第二章分集性能衡量指標技術的成功取決于分集與復用，天線多采用分集技術來提高系統(tǒng)性能，了解分集性能衡量指標，對天線設計作出指導是具有重要意義的。本章首先介紹分集理論，包括常見的空間分集、方向圖分集、極化分集，進而給出分集衡量指標：分集增益、相關系數、分支功率比和平均有效增益、容量計算，用以衡量實際的天線在系統(tǒng)中的性能優(yōu)劣。最后對三種分集方式應用場景及相互間的關系進行探討，以便根

22、據不同的環(huán)境來采用不同的分集方式，或者多種分集方式的聯合。分集理論蜂窩移動通信中，基站和移動臺經常彼此不在視距內，而且移動臺在復雜的傳播環(huán)境中運動，結果使得基站和移動臺之間的通信經常出現多徑衰落現象，衰落現象對接收電平有很大的影響。如果系統(tǒng)設計基于最小接收電平，則設備的負擔過大，導致系統(tǒng)成本太高。天線分集接收技術可以有效緩解移動通信系統(tǒng)的多徑衰落，從而提高通信可靠性，改善系統(tǒng)性能而不需增大發(fā)射機功率或信道帶寬。分集接收的基本概念是對于一個隨機過程進行兩個或多個抽樣，且這些抽樣是獨立的衰落。所有抽樣同時小于一個定值的概率遠小于個別抽樣小于該值的概率。實際上，所有刀個抽樣同時小于給定值的概率是，其

23、中是單個抽樣小于該定值的概率。因此分集是接收機接收到發(fā)射信號的兩個或多個形式，其中每種形式通過不同的信道接收，如圖所示。在每個信道中的衰落是獨立無關的，因此在所有信道同時出現深度衰落的概率大大降低了。圖分集信道模型由上圖可知分集即通過若干個信道接收承載相同信息的多個副本，由于這些信京郵電大學碩±學位論文統(tǒng)線單陣列研究道的傳輸特性不同，這些信號副本的衰落也不相同當其衰落獨立（或至少是高度不相關）時，接收機就能有效的合并這多個副本包含的信息，硪小衰落信號電平的起伏程度，從而比較正確地恢復出原始信號。天線分集主要包括三種類型，即空間分集、角度分集和極化分集，如圖維聯合應用，或某一維占優(yōu)。，

24、它們分屬于天線分集中的空間、角度與極化維，實際中難以獨立應用各維，而是多廚空間分集方向圖分集極化分集空間分集：最常用的分集形式，即用兩副類似的天線在相隔若干個波長的不同位置上接收同一信號的一種分集形式，天線單元間距要求大于相干距離，此時每個天線接收到的信號可以認為是不相關或低相關的。采用空間分集的接收機擁有很多相似的天線（例如共極化天線），每根天線為無線通信提供了一個分離的無線信道。一個純粹的空間分集設計中，每根天線的方向圖和極化方式都是相同的。方向圖分集：又稱角度分集，由于地形地貌等傳播環(huán)境的影響，從不同方向遠離發(fā)端或抵達接收端的多徑信號不是完全相關的，采用方向性波束在不同角度發(fā)射或接收，也

25、能獲得分集效果，如可在基站端采用開關波束智能天線和多模天線實現角度分集，這些不同的天線方向圖以加權方式將多徑信道重新合并，從而對應每個方向圖產生一個不同的信道。角度分集雖然可以克服空間分集安裝空間太的缺點，但當來波角譜擴展較小時，容易造成來波方向位于其中某副天線的旁瓣，引起很大的接收功率差。這些理論與正交方向圖能降低空間相關性是一脈相承的。極化分集：采用兩副或幾副天線來構成子信道的一種天線分集接收系統(tǒng)，這種分集方案通過使用兩根或者更多按不同方式極化的天線在接收端提供獨立的信道。極化分集的最大優(yōu)點是多天線的總體積小，尤其適合體積受限的終端多天線設計。它利用了正交極化間信號的低相關性，將極化分集的

26、多天線放置在同一個位置，故達到緊湊效果。而正交極化間信號的低相關性是由于不同的極化方向的電磁波在受北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究到阻擋而發(fā)生反射、折射或繞射時，一般遵循不同的規(guī)律，故經過傳輸中的多次阻擋作用后，正交分量間的衰落相關性將變得很小，這就是正交極化分量去相關的機理。對于無線信道這種極化扭轉的性質，可以用交叉極化鑒別度（）來衡量?？傊?，天線方向圖的加權接收是各種分集的統(tǒng)一描述，當入射波的角譜概率分布一定時，天線輸出信號的相關性從物理上可理解為天線對不同入射角的電磁場進行了加權疊加的差異程度，若不同入射角的來波問是獨立無關，則各天線輸出信號間的相關性完全取決于天線的

27、相位中心距離和各自的方向圖。分集性能衡量指標分集的性能衡量指標有：分集增益、相關性、分支功率比、容量、極化失配，最主要的衡量指標為各分支支路的相關系數以及分支功率比【】。分集增益分集增益指在無相關性的情況下，使用分集和無分集的系統(tǒng)分別達到相同目標誤碼率門限的信干比之間的差異，通常用表示。另一種定義是與參考信號做比較。還可定義為聯合信號和最強的分支信號間的差別。假定多徑環(huán)境中為瑞利衰落，則瑞利信道的累積分布函數（）為：（廠以）（廠以）：五、式（）其中是平均的信噪比，是瞬時的信噪比，（以）是瞬時信噪比小于給定門限以的概率。由此擴展到若有路接收信號，每路接收信號均低于給定門限只的概率為：砘砒卜）當瞬

28、時信噪比較低時，若，“，則上式可簡化為：式（）砒（爭）式（）北京郵電大學碩士學位論文吣系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究利用上述式子可計算出分集增益。分集增益是包絡相關性和功率不平衡的函數，為達到最大增益，則相關系數應該小于，平均分支功率比應接近。要使平均分支功率比接近，則要求足夠多的散射體數目以便去極化。一般說來如果發(fā)射端是水平極化，接收端使用水平和垂直極化分集系統(tǒng)時，水平極化接收的電平應該大一些。移動基站系統(tǒng)相對于便攜系統(tǒng)有更多的分集增益，因為有更大的天線增益和增加的發(fā)射功率。如果從接收端分集合并所處的位置看，合并可以在檢測以前的射頻和中頻上進行，也可以在檢測以后即基帶上進行合并。聯合信號的方法

29、有：選擇合并，最大比合并，等增益合并，開關合并【】。最常用的是選擇和最大比合并。從分集增益角度看，研究表明最大比合并優(yōu)于等增益合并，等增益合并優(yōu)于選擇式合并。等增益合并性能與最大比合并性能相比小，但比較簡便。相關系數相關性是指對的預測能力，如果預測能力大，則相關性高。因為若衰落了，由于相關性高，則衰落的可能性也很大。下圖顯示的是分集系統(tǒng)中的兩路信號。要求兩路信號的相關性比較低。有研究表明，當達波方向與天線陣列間的連線垂直時相關性最小。一州帥甲滯彬一圖分集系統(tǒng)示意圖相關系數分為復相關系數和包絡相關系數【。復相關系數則運用了接收信號的幅度和相位。時域中復相關系數定義為【】：（）一百）（吃（）一瓦）

30、出北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究其中，分別為天線、天線的接收信號。在角域中復相關系數定義為【】：砘：盟壁塑型墮掣掣壁塑燮墮竺式協(xié)，、聽噶這里。膽尺（以伊）島（只緲）（以矽）島（幺矽）（式（）其中（，），（，伊）分別為電場矢量方向圖的口，伊分量，島（移，緲），島（口，緲）為入射功率譜角密度函數的皖伊分量。為交叉極化識別，是時間平均的垂直極化功率與時間平均的水平極化功率的比值。：導晶式（）一。從式（）可見，當兩方向圖正交時則相關系數最小。故可尋求方向圖正交的兩個或者多個天線。包絡相關系數則是兩個信號包絡問的相關性，不考慮相位】：見式（）其中墨，是分剔為天線、天線接收信號包絡。

31、復相關系數與包絡相關系數的關系為【】：以：的分集增益下降可通過以下因子計算】：式（）為使分集系統(tǒng)取得分集增益，要求相關系數應該小于，由于包絡相關性引起，分集增益圖。式（一）通過在分集增益原有概率密度分布函數下除以該值，可計算不同包絡相關性下分支功率比和平均有效增益分支功率比為不同支路間的功率比。對于兩路信號而言為：北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究：壘讎對多支路而言，用表示時：?？趹摯笥谝员苊獯蟮姆旨鲆鎿p耗。為使分集系統(tǒng)能取得分集增益，則應至少大于。對兩支路而言，由式（）分支功率比與分集增益關系：竹叫：妻（吾）平均有效增益（）定義為同一隨機路徑上天線平均接收功率與同一路徑

32、上天線的總平均入射功率的比值?？紤]了入射到天線上的功率的平均角度分布。是天線在移動環(huán)境中的平均天線增益，是考慮無線散射環(huán)境中入射無線電波和天線增益方向圖后的移動終端天線的平均性能。決定天線在多徑環(huán)境中的有效性。計算公式為【：箝（箍卯糾卯志呻卅卯砂枷刪眇式（）其中（矽，妒），（幺伊）分別為天線功率增益方向圖的只礦分量，島（秒，伊），島（見緲）為入射功率譜角密度函數的口，妒分量。與的關系為：七：墼，墼腳施從系統(tǒng)的角度看，分支功率比越趨近于，越有利于分集性能的發(fā)揮。容量計算假設系統(tǒng)收發(fā)兩端天線數目為，信道為準靜態(tài)平坦衰落信道，接收端已知信道信息，發(fā)射端未知。發(fā)射信號總功率，與發(fā)射天線數無關。發(fā)射端采

33、用等功率發(fā)射，則系統(tǒng)的信道容量可表示為【】北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究（，扣）塒，善為接收端平均信噪比，（，），為信道矩陣，根據模型將信道矩陣日分解，且只考慮接收衰落相關有：冗，“呱式（）式中冗，為×接收相關矩陣，為×發(fā)射相關矩陣，的元素是均值為，方差為的獨立復高斯隨機變量。分集接收模型的建立及準確性分集接收模型的建立主要集中在基站端，移動臺分集模型應涉及到天線方向圖和極化特性【，同時要求模型具有準確性，有用性。由于移動終端應用有許多不同的場景，包括開關聯合接收的使用、天線間低隔離、增益方向圖沖突、傳播環(huán)境里寬的角度擴展，均要求建立新的移動臺端的理論

34、模型。當前模型主要考慮的因素是空間相關性，各分支功率比，但這兩個因素對不同的分集方式的影響不同。對極化分集方式而言，交叉極化識別（）能嚴重影響各分支功率比，造成各分支功率比相差比較大，使得分集增益減小【。對空間分集方式而言，空間相關性對其影響比較大。三種分集方式應用空間分集應用空間分集是由于天線間距離足夠遠，使得多徑分量間相位不一致，相位差距越大，信號越不相關。空間分集技術可以通過選擇最好的接收信號或其合成信號以減少衰落的影響?？臻g分集的缺點是需要較大的安裝天線空間。較大的天線單元間距已成為限制分集支路數目的實際因素，當角度擴展很小時，分集的距離要達到，這為天線安裝帶來很大不便，使天線系統(tǒng)成本

35、增大，且各支路的平均接收功率差異變大，而小間距使天線單元間的相關性增高，它們均導致分集性能下降。當天線架設位置變高或者散射體減小，則信號不相關下的天線間距也將增大。如果接收端天線是垂直極化，最好發(fā)射端也是垂直極化。水平空間分集只在目標發(fā)射天線單純垂直極化時具有優(yōu)勢。當接收機處于室內環(huán)境時，發(fā)射機使用水平極化北京郵電丈學碩士學位論文系統(tǒng)天線荸元及陣列設汁與研究的性能好于垂直極化。原因是室內環(huán)境，主要的反射是水平的。角度分集應用對角度分集而言，若每個天線的方向圖不同，則信號包絡的相關性將減小。這是因為雖然天線位置相同，但每個天線接收信號的幅度因其天線方向圖及增益而存在差異。相距很近的具有全向方向圖

36、的天線陣列，會因相互間的耦合而使天線方向圖發(fā)生畸變。蜂窩無線和數字個人通信系統(tǒng)里的角度分集是通過開關波束天線實現的。雖然自適應天線相對而言更靈活，但開關波束天線相對更便宜和容易。在密集城市區(qū)域角度分集與傳統(tǒng)空間分集同樣有效，在保證可靠性水平下可以提供分集增益。極化分集應用極化分集其優(yōu)勢是不需要額外帶寬，不需要天線間的物理距離，其分集增益取決于發(fā)射和接收間的散射體對信號去極化和去相關的能力，以便耦合一些能量到正交極化端口中。在散射環(huán)境較好的情況下兩個正交極化可以提供不相關信號。極化分集的缺點是當發(fā)射一種極化方式的時候，共極化和交叉極化分支平均信號電平將有很明顯的差別【。測量的移動臺和基站端的水平

37、和垂直極化路徑可以是高度不相關的。每種極化的去相關是源于移動臺和基站間多次反射和散射。每種極化的復散射和反射系數是不同的，導致正交極化的幅度和相位經歷了不同的變化。經過足夠的隨機散射，信號的極化獨立于發(fā)射極化方式。去極化的程度取決于移動臺和基站間的信號散射數量多少。電磁波的屬性顯示若極化方式與障礙物表面正交，則損耗遠大于極化方式與障礙物表面平行的方式。在無線通信中主要的障礙是建筑物，很明顯從水平極化接收的信號能量將比從垂直極化接收的能量少。這必然導致兩種極化方式的功率不平衡。這個差別可以叫做交叉極化識別。當移動臺和基站間有一個很明顯的直視路線時，且具有很少的散射體來導致去極化時，交叉極化識別將

38、會出現。典型值是，在近郊該值比城區(qū)大，在戶外環(huán)境該值比室內環(huán)境大。當存在視距環(huán)境時，增加更快，并且隨距離增大而減小。在農村和高速公路上的情況研究比較少。雖然這些環(huán)境下相關系數一般仍小于，但使用極化分集天線時仍要注意考慮環(huán)境帶來的交叉極化識別。北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣殉設計與研究極化在分集中的應用包括：垂直極化空間分集、水平極化空間分集、雙極化或者多重極化分集。垂直極化或者水平極化空間分集要求收發(fā)兩端天線均具有相同的極化方式，周圍散射體去極化能力弱，以便到接收端時依然保持發(fā)射端天線的極化方式。而雙極化或者多重極化則適合于去極化能力強的室內或者市區(qū)環(huán)境中。雙極化分集接收種類包括度或

39、度交叉極化分集。雙極化傳輸具有可比擬的分支功率電平，較小的交叉相關性，可實現很好的分集。在手機里天線的安裝很可能是隨意的，可能與垂直方向傾斜，使得發(fā)射功率接近垂直和水平極化等功率分配。這將有利于極化分集。在手機里兩種雙極化分集方式都經常使用。如果在這種情況下使用空間分集，則會由于天線的不垂直方位使分集性能下降。度交叉極化分集與度交叉極化分集方式相比，容易存在各分支功率不平衡，故可提供分集增益，度交叉極化分集方式則易受相關性的影響，但可提供分集增益。對于度交叉極化分集天線陣，除考慮到達角分布外，垂直和水平增益方囪圖也應考慮來準確決定包絡相關系數。三種分集方式關系從分集系統(tǒng)性能衡量指標來看，極化分

40、集對支路相關性不敏感，對不等功率支路敏感?？臻g分集對支路相關性敏感，對不等功率支路不敏感。方向圖分集對兩者均敏感。在一般情況下，極化分集，方向圖分集性能都要差于空間分集?？臻g分集要優(yōu)于度交叉極化分集，度交叉極化分集優(yōu)于度交叉極化分集。當反射表面數目很小，一種極化平面占統(tǒng)治地位，使用空間分集能提供最好的性能。當路徑有障礙時，極化可以極大地減小多徑延遲擴展。極化分集適用于城市地區(qū)。在農村，極化分集性能較差。具體而言，雙極化系統(tǒng)分集增益與空間分集方式相比小，但這個結果取決于環(huán)境和發(fā)射天線的傾斜角。在城鎮(zhèn)度交叉極化分集增益要比水平垂直雙極化大。在郊區(qū)，度交叉極化分集與空間分集分集增益問的差別可以忽略不

41、計。在城鎮(zhèn)和農村水平垂直雙極化分集系統(tǒng)的兩分支電平有較大的差別，特別是當發(fā)射天線是垂直放置的時候。而度交叉極化分集系統(tǒng)兩分支的電平很接近。對極化分集系統(tǒng)而言，一旦天線的數目超過了極化種類的數目，則單純采用極化分集是不夠的，還需要使用空間分集。對方向圖分集也是如此。故當前更多的是采用空間分集、極化分集、方向圖分集的聯合。如果同時使用了極化分集和方向圖北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究分集，可能極化分集引起的分集增益比方向圖分集引起的增益要大得多。本章小結總之，信道以天線結構和傳播環(huán)境為特征。天線結構是天線相關性效應的原因之一。天線相關性的減小可以通過增加天線間的距離和采用多種極

42、化方式實現。針對不同的傳播環(huán)境可采取不同的分集方式，或者多種分集方式的結合，傳播環(huán)境涉及到空間散射、空間玄相關、去極化。分集性能可用各項參數去衡量，當相關系數越?。ㄖ辽僖韵拢?，分支功率比越趨于，系統(tǒng)的分集增益才會越大，進而才能使容量越大，不同的分集方式對各個性能衡量指標的敏感度不一致。分集天線的設計要考慮到天線的應用場合。北京郵電大學碩士學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究第三章系統(tǒng)多天線設計思路天線作為無線通信系統(tǒng)中的接收和發(fā)射裝置，其電氣性能及陣列配置是影響系統(tǒng)性能的重要因素。目前，對技術的研究已進入一個相對成熟的階段。但迄今為止，技術在蜂窩移動通信系統(tǒng)中還很少進行商業(yè)實現，在中的應用也受

43、到一些因素的限制。一個重要的因素就是天線問題。在系統(tǒng)中，天線數目和間距是影響系統(tǒng)參數的重要因素?；径讼鄬^大的空間可輕易滿足系統(tǒng)要求的低空間相關性，但如何在手機等移動終端上放置兩副或以上的天線則要對天線進行合理的設計。有兩種思路，采用小型化天線，盡量減少天線尺寸，這依賴于天線單元的合理設計或者從天線陣列角度考慮，可將多副天線的功能集中到一副天線上，具有這種潛力的天線有多模式天線、多極化天線、多端口天線，也可從優(yōu)化天線陣列的排列方式等多種角度來考慮。本章首先介紹系統(tǒng)天線設計的要求和特點，然后介紹當前典型的新型系統(tǒng)天線單元和天線系統(tǒng)，以便對天線設計有更深入的理解與應用。最后歸納出多天線的設計思想

44、與技術途徑。系統(tǒng)天線設計的要求和特點結合第三章的分集系統(tǒng)性能衡量指標，系統(tǒng)對天線設計的基本要求可歸納如下【硎：）充分利用天線分集技術，保持達波信號的相對獨立性，減小互耦，降低天線自身引入的相關性，或激發(fā)更多的獨立傳播路徑，充分利用空間維度，空間分集結合角度分集與極化分集。）加寬天線單元波瓣，增大天線單元的波束寬度，以盡可能接收方位向的散射達波，或激發(fā)豐富的傳播多徑，有效利用空間資源。）保證天線單元的增益，改善系統(tǒng)的信噪比與抗干擾性能。）增大多天線單元間的隔離（極化隔離與端口隔離），降低天線自身引入的相關性。因此，系統(tǒng)對天線設計的基本要求可概括為低相關、多分集、寬波瓣、合理增益與高隔離。實際因素比如天線的阻抗匹配、單元方向圖、極化特性、單元間距、陣列布局與單元間的互耦、成本、天線是否易加工、是否具有低輪廓、小體北京郵電丈學碩十學位論文系統(tǒng)天線單元及陣列設計與研究積、輕質量的特點都是要考慮的。天線單元研究符合要求的天線單元具有重要意義。通信設備的小型化以及使用需求要求天線也相應的小型化，在很多應用場合還要求共