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1、1 機(jī)電與于車輛工程學(xué)院課程考核論文機(jī)電與于車輛工程學(xué)院課程考核論文 課程名稱: 微波技術(shù)與天線 題 目: 天線與移動通訊技術(shù) 專 業(yè): 電子信息工程 班 級: 09 級(2)班 姓 名: 李彬 學(xué) 號: 1665090211 任課教師: 張平娟 2 目 錄 第 1 章 移動通信概述 .1 1.1 移動通信的特點(diǎn).3 1.2 移動系統(tǒng)的組成和技術(shù)的發(fā)展.4 第 2 章 移動通信系統(tǒng)中蜂窩 .5 2.1 宏蜂窩小區(qū).6 2.2 微蜂窩小區(qū). 7 第 3 章 移動通信系統(tǒng)基站天線 .9 3.1 蜂窩移動通信技術(shù)的發(fā)展情況.9 3.2 蜂窩系統(tǒng)中的基站天線. 10 第 4 章 板狀天線基本原理及分析
2、.11 4.1 板狀天線基本原理.11 4.2 反射板的形狀.12 第 5 章 矩形微帶天線單元的設(shè)計(jì) .13 5.1 基板材料和貼片尺寸的選擇.13 結(jié)束語.14 參考文獻(xiàn).14 3 一 移動通信概述 1.1 移動通信的特點(diǎn) 移動通信是指通信的雙方,或者至少有一方在運(yùn)動狀態(tài)中進(jìn)行信息傳遞的通 信方式,它使人們能夠隨時(shí)隨地、及時(shí)可靠、不受時(shí)空限制地進(jìn)行信息交流,其 優(yōu)越性是固定電話無法比擬的。從 20 世紀(jì) 20 年代美國底特律市警察使用的車載 無線電系統(tǒng)問世以來,移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了第一代的模擬頻分系統(tǒng)(如 AMPS、TACS) ,目前廣泛應(yīng)用的第二代數(shù)字蜂窩系統(tǒng)(如 GSM、CDMA) ,即
3、將投入 商用的第三代移動通信系統(tǒng) IMT-2000,和正在開展廣泛研究的第四代移動通信系 統(tǒng)。移動通信系統(tǒng)的容量在不斷提高,業(yè)務(wù)種類也越來越豐富。 移動通信的特點(diǎn): 1.移動中通信 移動通信靈活機(jī)動,能隨時(shí)隨地地進(jìn)行通信,這是移動通信的最大特點(diǎn),也是移 動通信得到廣泛應(yīng)用的原因。 2.電波傳輸復(fù)雜 信道傳輸特性不僅十分復(fù)雜,而且很不穩(wěn)定。因移動臺的不斷運(yùn)動而導(dǎo)致接收到 的信號幅度和相位將隨時(shí)間、地點(diǎn)而不斷變化。尤其是陸地移動通信遭受地形、 地物的影響極大。此外多徑道傳播造成的衰落,建筑物阻擋造成的陰影效應(yīng)(即 陰影衰減)和運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移動等,均導(dǎo)致接收信號極不穩(wěn)定。另一方面, 移動臺的工
4、作環(huán)境是處于實(shí)況變化中的,它所受到的外部噪聲和干擾情況也是不 斷變化的,如汽車的火花噪聲干擾、鄰道干擾、互調(diào)干擾和同頻道干擾等。 4 3.移動通信可以利用的頻譜資源非常有限,而而移動通信業(yè)務(wù)量的需求卻與日俱 增。 如何提高通信系統(tǒng)的通信容量,始終是移動通信發(fā)展中的焦點(diǎn)。為了解決這一矛 盾,一方面要開辟和啟用新的頻段;另一方面要研究各種新技術(shù)和新措施,以壓 縮信號所占的頻帶寬度和提高頻譜利用率。 4.移動通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣, 網(wǎng)絡(luò)管理和控制必須有效 根據(jù)通信地區(qū)的不同需要, 移動通信網(wǎng)絡(luò)可以組成帶狀(如鐵路公路沿線)、面 狀(如覆蓋一城市或地區(qū))或立體狀(如地面通信設(shè)施與中、低軌道衛(wèi)星通
5、信網(wǎng)絡(luò) 的綜合系統(tǒng))等,可以單網(wǎng)運(yùn)行,也可以多網(wǎng)并行并實(shí)現(xiàn)互連互通。為此,移動 通信網(wǎng)絡(luò)必須具備很強(qiáng)的管理和控制功能,諸如用戶的登記和定位,通信(呼叫) 鏈路的建立和拆除,信道的分配和管理, 通信的計(jì)費(fèi)、鑒權(quán)、安全和保密管理 以及用戶過境切換和漫游的控制等。 5. 移動通信設(shè)備 (主要是移動臺) 必須適于在移動環(huán)境中使用 對對手機(jī)的主要要求是體積小、重量輕、省電、操作簡單和攜帶方便。 車載臺 和機(jī)載臺除要求操作簡單和維修方便外, 還應(yīng)保證在震動、沖擊、高低溫變化 等惡劣環(huán)境中正常工作。1 1.2 移動系統(tǒng)的組成和技術(shù)的發(fā)展 常用的移動通信系統(tǒng)主要有四類:蜂窩移動通信系統(tǒng)、集群移動通信系統(tǒng)、 無
6、繩電話系統(tǒng)及無線尋呼系統(tǒng),它們的功能及應(yīng)用場合各不相同,但它們的基本 原理及技術(shù)是相同的。一般由移動終端(移動臺) 、基地站 、移動業(yè)務(wù)交換 5 中心以及市話網(wǎng)相連接的中繼線等組成。大容量移動通信系統(tǒng)可以由很多基站, 甚至分布全國,構(gòu)成移動通信網(wǎng)。小容量移動通信系統(tǒng)可以只有一、二個(gè)基站, 用戶數(shù)量較少。 第一代移動通信多址方式均采用 FD 擬,語音調(diào)制為模擬調(diào)頻,信令調(diào)制為 FKS 一類的簡單數(shù)字調(diào)制技術(shù)。第二代移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)于通信數(shù)字化的 80 年代 末和 90 年代初,它基本采用了當(dāng)時(shí)通信和信號處理的最新技術(shù)。 第三代移動通信系統(tǒng)是工作于 ZGHz 頻段的移動通信系統(tǒng),它區(qū)別于第一代 和
7、第二代移動通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)可以簡單概括為:全球無隙漫游;具有支持信息 速率商達(dá) 2 場 it/s 的多媒體業(yè)務(wù)的能力,特別是支持 Iternet 業(yè)務(wù);便于過渡、 演進(jìn);更高的頻率效率、更低的電磁輻射、更好的服務(wù)質(zhì)量等。 移動通信的多址方式主要有 FDMA、TDMA、CDMA 三大類。FDMA 系統(tǒng)一般為模 擬移動通信制式,TDMA 及 CDMA 為數(shù)字移動通信制式。FDMA 發(fā)展早,已成功應(yīng)用 于各種移動通信系統(tǒng)多年,目前在一些領(lǐng)域仍在廣泛應(yīng)用。數(shù)字移動通信是在模 擬移動通信基礎(chǔ)上發(fā)展、演化而來的,在網(wǎng)絡(luò)組成、設(shè)備配置、系統(tǒng)功能和工作 方式上二者都有許多相同之處。 二移動通信系統(tǒng)中蜂窩 目
8、前的移動通信系統(tǒng)一般采用小區(qū)制,即將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)域劃分為若干小區(qū), 每個(gè)小區(qū)分別設(shè)有一個(gè)(或多個(gè))基站,用以負(fù)責(zé)本小區(qū)移動通信的聯(lián)絡(luò)和控制等 功能。因此移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)可以看成是由若干正六邊形的無線小區(qū)相互鄰接而 構(gòu)成的面狀服務(wù)區(qū)。由于這種服務(wù)區(qū)的形狀很像蜂窩,我們便將這種系統(tǒng)稱之為 蜂窩式移動通信系統(tǒng),與之相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)稱之為蜂窩式網(wǎng)絡(luò)。 6 2.1.宏蜂窩小區(qū) 傳統(tǒng)的蜂窩式網(wǎng)絡(luò)由宏蜂窩小區(qū)(macrocell)構(gòu)成,每小區(qū)的覆蓋半徑大多為 1km25km。由于覆蓋半徑較大,所以基站的發(fā)射功率較強(qiáng),一般在 10W 以上, 天線也做得較高。圖 1 是由宏蜂窩組成的移動通信系統(tǒng)示意圖。如圖所示,
9、每個(gè) 小區(qū)分別設(shè)有一個(gè)基站,它與處于其服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動臺建立無線通信鏈路。若干 個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群(蜂窩),區(qū)群內(nèi)各個(gè)小區(qū)的基站可通過電纜、光纜或微波鏈 路與移動交換中心(MSC)相連。移動交換中心通過 PCM 電路與市話交換局相連接。 圖 1宏蜂窩移動通信系統(tǒng)示意圖 在實(shí)際的宏蜂窩內(nèi),通常存在著兩種特殊的微小區(qū)域。一是“盲點(diǎn)”,由于 網(wǎng)絡(luò)漏覆蓋或電波在傳播過程中遇到障礙物而造成陰影區(qū)域等原因,使得該區(qū)域 的信號強(qiáng)度極弱,通信質(zhì)量低劣;二是“熱點(diǎn)”,由于客觀存在商業(yè)中心或交通 要道等業(yè)務(wù)繁忙區(qū)域,造成空間業(yè)務(wù)負(fù)荷的不均勻分布。以上兩“點(diǎn)”問題,往 往通過設(shè)置直放站、分裂小區(qū)等辦法來加以解決。但從
10、原理上講,這兩種辦法也 7 不能無限制地使用:直放站實(shí)質(zhì)是一個(gè)寬帶放大器,設(shè)置不合理(包括選址及安 裝等)或設(shè)置得過多,都極易造成對周圍信號的干擾;小區(qū)分裂實(shí)質(zhì)就是采用使 宏基站變密的辦法(即將覆蓋面大的基站分裂成覆蓋面較小的基站)來增加系統(tǒng)的 容量,但當(dāng)基站小到一定程度時(shí),由于干擾和基站接入等問題,這種辦法將難以 再進(jìn)行。特別是近幾年來,隨著移動通信的迅速發(fā)展和業(yè)務(wù)需求的劇增,這些方 法更是難奏其效,這樣便產(chǎn)生了微蜂窩小區(qū)(microcell)技術(shù)。 2.2 微蜂窩小區(qū) 微蜂窩小區(qū)(microcell)是在宏蜂窩小區(qū)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門技術(shù)。它的覆 蓋半徑大約為 30m300m;發(fā)射功率較
11、小,一般在 1W 以下;基站天線置于相對低 的地方,如屋頂下方,高于地面 5m10m,傳播主要沿著街道的視線進(jìn)行,信號 在樓頂?shù)男孤缎?。因此,微蜂窩最初被用來加大無線電覆蓋,消除宏蜂窩中的 “盲點(diǎn)”。同時(shí)由于低發(fā)射功率的微蜂窩基站允許較小的頻率復(fù)用距離,每個(gè)單 元區(qū)域的信道數(shù)量較多,因此業(yè)務(wù)密度得到了巨大的增長,且 RF 干擾很低,將 它安置在宏蜂窩的“熱點(diǎn)”上,可滿足該微小區(qū)域質(zhì)量與容量兩方面的要求。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中,微蜂窩作為無線覆蓋的補(bǔ)充,一般用于宏蜂窩覆蓋不到又有 較大話務(wù)量的地點(diǎn),如地下會議室、娛樂室、地鐵、隧道等。作為熱點(diǎn)應(yīng)用的場 合一般是話務(wù)量比較集中的地區(qū),如購物中心、娛樂中心、
12、會議中心、商務(wù)樓、 停車場等地。而在話務(wù)量很高的商業(yè)街道等地則可采用多層網(wǎng)形式進(jìn)行連續(xù)覆蓋, 即分級蜂窩結(jié)構(gòu):不同尺寸的小區(qū)重疊起來,不同發(fā)射功率的基站緊密相鄰并同 時(shí)存在,使得整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出多層次的結(jié)構(gòu)。相鄰微蜂窩的切換都回到所在 的宏蜂窩上,宏蜂窩的廣域大功率覆蓋可看成是宏蜂窩上層網(wǎng)絡(luò),并作為移動用 8 戶在兩個(gè)微蜂窩區(qū)間移動時(shí)的“安全網(wǎng)”,而大量的微蜂窩則構(gòu)成微蜂窩下層網(wǎng) 絡(luò)。 2.微蜂窩小區(qū)(microcell)是在宏蜂窩小區(qū)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門技術(shù)。它的 覆蓋半徑大約為 30m300m;發(fā)射功率較小,一般在 1W 以下;基站天線置于相對 低的地方,如屋頂下方,高于地面 5m10
13、m,傳播主要沿著街道的視線進(jìn)行,信 號在樓頂?shù)男孤缎 R虼?,微蜂窩最初被用來加大無線電覆蓋,消除宏蜂窩中的 “盲點(diǎn)”。同時(shí)由于低發(fā)射功率的微蜂窩基站允許較小的頻率復(fù)用距離,每個(gè)單 元區(qū)域的信道數(shù)量較多,因此業(yè)務(wù)密度得到了巨大的增長,且 RF 干擾很低,將 它安置在宏蜂窩的“熱點(diǎn)”上,可滿足該微小區(qū)域質(zhì)量與容量兩方面的要求。 在實(shí)際設(shè)計(jì)中,微蜂窩作為無線覆蓋的補(bǔ)充,一般用于宏蜂窩覆蓋不到又有 較大話務(wù)量的地點(diǎn),如地下會議室、娛樂室、地鐵、隧道等。作為熱點(diǎn)應(yīng)用的場 合一般是話務(wù)量比較集中的地區(qū),如購物中心、娛樂中心、會議中心、商務(wù)樓、 停車場等地。而在話務(wù)量很高的商業(yè)街道等地則可采用多層網(wǎng)形式進(jìn)行
14、連續(xù)覆蓋, 即分級蜂窩結(jié)構(gòu):不同尺寸的小區(qū)重疊起來,不同發(fā)射功率的基站緊密相鄰并同 時(shí)存在,使得整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出多層次的結(jié)構(gòu)。相鄰微蜂窩的切換都回到所在 的宏蜂窩上,宏蜂窩的廣域大功率覆蓋可看成是宏蜂窩上層網(wǎng)絡(luò),并作為移動用 戶在兩個(gè)微蜂窩區(qū)間移動時(shí)的“安全網(wǎng)”,而大量的微蜂窩則構(gòu)成微蜂窩下層網(wǎng) 絡(luò)。 三 移動通信系統(tǒng)基站天線 3.1 蜂窩移動通信技術(shù)的發(fā)展情況 60 年代末,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室等單位提出了蜂窩系統(tǒng)的概念和理論,到了 70 9 年代末和 80 年代初,世界上才出現(xiàn)了美國、日本和斯堪的納維亞地區(qū)的三個(gè)蜂 窩移動通信系統(tǒng)。此后,從 1980 年開始,蜂窩移動通信網(wǎng)歷經(jīng)大約 10 年時(shí)
15、間的 發(fā)展,是一種采用 FDMA(即頻分多址靠頻率的不同來區(qū)別不同的用戶)標(biāo)準(zhǔn)的模 擬蜂窩移動通信系統(tǒng),主要以通話業(yè)務(wù)為主,如歐洲與我國的 900MHzTACS 系統(tǒng) 和美國的 800MHzAMPS 系統(tǒng)。從 1990 年到 2000 年的 10 年期間,這時(shí)期引入數(shù)字 通信技術(shù)并實(shí)現(xiàn)了地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化(即制定了模擬/數(shù)字兼容的數(shù)字蜂窩標(biāo)準(zhǔn)),它是 一種采用 TDMA(既時(shí)分多址靠極其微小的時(shí)差來區(qū)別不同的用戶,在 900MHz 頻 譜普遍運(yùn)用的 GSM 系統(tǒng)一一 Globals”temforMobileCoications 即全球通系統(tǒng) 就屬于此系統(tǒng))、CDMA(即碼分多址靠編碼的不同來區(qū)別不同的
16、用戶,其編碼有 4.4 億種數(shù)字排列,且編碼還隨時(shí)變化,其重碼的概率是“二百年一遇” ,如北美 的 N 一 CDMA 系統(tǒng))等兩種不同的無線空中接口方式的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng),它 增加了數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的傳輸,采用話音壓縮編碼技術(shù),使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化。 現(xiàn)在采用的 13KbPs 的話音編碼技術(shù),其質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)滿意的程度。最近 發(fā)展起來的個(gè)人通信系統(tǒng) PCS 其速率可達(dá)到 ZM,它是 21 世紀(jì)的移動通信方式, 以增加高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和圖像業(yè)務(wù)的多媒體通信為主要目標(biāo),在 21 世紀(jì)的一開始 就將帶動世界移動市場新一輪的發(fā)展。它要達(dá)到的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人類的理想通信, 即“任何人可以在任何時(shí)間、任何地
17、點(diǎn)、向任何人提供通信服務(wù)” , 如標(biāo)準(zhǔn)正日 趨統(tǒng)一成熟的 IMT2000 系統(tǒng)(即 International Mobile Teleeonununieation2000), 它取意于工作在 2000MHz 頻段、在 2000 年左右投入商用的全球移動通信系統(tǒng)。 IMTZ000 的目標(biāo)是:全球無縫覆蓋;實(shí)現(xiàn)高服務(wù)質(zhì)量、高保密性能和高頻譜效率;提 供多媒體業(yè)務(wù),實(shí)現(xiàn)車速環(huán)境 144Kbi 決速率,步行環(huán)境 384Kbi 燈 s 速率,室內(nèi) 環(huán)境 ZMbi 吮速率的無線多媒體通信??梢灶A(yù)料,數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)將和其它 通信網(wǎng)一起受到個(gè)人通信網(wǎng)的導(dǎo)向而得到迅速發(fā)展。 10 3.2 蜂窩系統(tǒng)中的基站天
18、線 一個(gè)蜂窩系統(tǒng)通過許多蜂窩的組合為地球上某一片區(qū)域的人們提供服務(wù)。每 個(gè)蜂窩的覆蓋區(qū)域及其形狀是由基站天線的輻射波瓣和輸出功率決定的?;咎?線可供設(shè)計(jì)的參數(shù)是天線的垂直面波瓣和水平面波瓣,垂直面波瓣是通過陣列天 線來實(shí)現(xiàn)的,而水平面波瓣則由所采用的天線單元樣式和相應(yīng)的反射板決定。 在當(dāng)前的蜂窩系統(tǒng)中,為了增加系統(tǒng)的容量,一般采取覆蓋區(qū)域半徑為 1.5km 的小型蜂窩。在頻分多址(FDMA, frequency division multiple access)和時(shí)分多址(TDMA , time division multiple access)系統(tǒng)中,臨近 的兩個(gè)蜂窩采用相同的頻帶,由于頻
19、帶相同而引起的兩蜂窩間的干擾可以通過天 線的垂直面波瓣得到抑制。為了給垂直面波瓣賦形,蜂窩在水平面內(nèi)可以分為幾 個(gè)扇區(qū)以抑制移動端間的干擾。FDMA/TDMA 系統(tǒng)在相鄰的扇區(qū)采用不同的頻帶, 而在 CDMA(code division multiple access ,碼分多址)系統(tǒng)中,所有扇區(qū)采用 同一頻帶。從增加用戶容量的角度考慮,CDMA 系統(tǒng)采取分扇區(qū)賦形波瓣也是很重 要的。 由于在每個(gè)扇區(qū)里,CIR 值會隨著移動用戶數(shù)量的增加而惡化,因而,用戶 總數(shù)就受限于基站的輻射波瓣寬度。這一點(diǎn)通常通過在水平面內(nèi)對波瓣分扇區(qū)設(shè) 計(jì)來實(shí)現(xiàn)。在郊區(qū),采用全向天線來拓寬覆蓋區(qū)域。水平面的波瓣形狀由天
20、線單 元來決定,反射板和附加于天線單元上的寄生單元也會影響扇區(qū)波瓣的形狀。限 制主瓣覆蓋區(qū)域的第二類技術(shù)是在垂直面內(nèi)傾斜波束,使波束的最大指向偏離水 平軸。實(shí)現(xiàn)波束傾斜有兩類方法:(1)天線的機(jī)械傾斜;(2)通過調(diào)整天線不 同單元間的相對相位實(shí)現(xiàn)電傾斜。3 11 四板狀天線基本原理及分析 4.1 板狀天線基本原理 板狀天線的基本知識: 無論是 GSM 還是 CDMA, 板狀天線是用得最為普遍的一類極為重要的基站天線。 這種天線的優(yōu)點(diǎn)是:增益高、扇形區(qū)方向圖好、后瓣小、垂直面方向圖俯角控制 方便、密封性能可靠以及使用壽命長。 板狀天線也常常被用作為直放站的用戶 天線,根據(jù)作用扇形區(qū)的范圍大小,應(yīng)
21、選擇相應(yīng)的天線型號。 圖 2-1 板狀天線的基本形式 如圖所示,板狀天線是在陣列天線或者天線單元的下方加上一塊反射板,使 波束往前方發(fā)射,利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向 ,平面反射板放在陣 列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的圖 22 說明了反射面的作用,反射面把 功率反射到單側(cè)方向,提高了增益。 天線的基本知識全向陣 (垂直陣列 不帶 平面反射板) 。拋物反射面的使用,更能使天線的輻射,像光學(xué)中的探照燈那樣, 12 把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi),從而獲得很高的增益。不言而喻,拋物面天線的 構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素:拋物反射面和 放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源,基站天 線可供設(shè)計(jì)的參數(shù)是天線的垂直波瓣
22、和水平波瓣,垂直波瓣是通過陣列天線來實(shí) 現(xiàn)的,而水平波瓣是由所采用的天線單元樣式和相應(yīng)的反射板所決定。 4.2 反射板的形狀 基站天線的輻射單元有對稱振子、印刷偶極子和微帶天線等。為簡化分析模 型,這里以對稱振子加反射板為例進(jìn)行分析,其中反射板的橫截面形狀如圖 2.1 所示。對稱振子的諧振頻率約為 GSM 通信中的 1.gGHz。振子天線與反射板間的距 離均設(shè)為。常見的幾種反射板形狀(如圖 2-5 所示)包括矩形平板,角形反射/ 4 板,帶側(cè)邊緣的矩形平板,變形角形反射板,帶側(cè)邊緣的變形角形反射板等。通 過改變每種反射板結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù),可以得到所需的天線水平面輻射方向圖和最 優(yōu)的前后比特性,其中前后比特性即后向士 300 之間的方向特性。7 13 圖 2-5 基站天線幾種發(fā)射板形狀 五 矩形微帶天線單元的設(shè)計(jì) 5.1 基板材料和貼片尺寸的選擇 本文選擇天線形式為矩形微帶天線,確定微帶天線形式之后就應(yīng)選定介質(zhì)基 片,因?yàn)榛牧系模?tan 和厚度 h 將直接影響微帶天線的性能,采用較厚 r 的基片可以得到較寬的頻帶效率高,但 h/即電尺寸過大會引起表面波的明顯激 0 勵。通常,天線電厚度較可取的最大值約為 h/0.2。采用較高的微帶天線 0 r 的尺寸
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