1、111本 科 生 毕 业 论 文智 能 天 线 在 移 动 通 信 中 的 应 用院 系 电气信息工程学院 专 业 物理学 班 级 08 物理学本科 1 班 学 号 0601080103 学 生 姓 名 宋艳菊 联 系 方 式 15137461446 指 导 教 师 冯团辉 职 称 副教授 2012 年 5 月独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名： 年 月 日授 权 声 明本人完全了
2、解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文的规定，即：有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文的复印件和磁盘，允许毕业论文被查阅和借阅。本人授权许昌学院可以将毕业论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文。本人论文中有原创性数据需要保密的部分为： 签名： 年 月 日指导教师签名： 年 月 日智 能 天 线 在 移 动 通 信 中 的 应 用摘 要天线作为移动通信的最主要元素，是辐射和接收电磁波的部件。天线性能的优劣，对移动通信的总体性能起着非常重要的作用。由于用户需求的增加，移动通信系统对天线的要求越来越高。本文首先介绍天线的电磁波理论及天线的一
3、些重要参数；然后详细阐述智能天线系统，它是由一个天线阵列、一组波束形成的网络以及算法组成的；最后介绍智能天线在处理移动通信问题的优势，和传统天线的天线相比，它具有信号间彼此无干扰、减少外界干扰和噪声的影响、提高信号的覆盖率等特点。智能天线技术无疑将为未来的移动通信提供最优质的服务。关键词：智能天线；移动通信；天线阵列；波束形成网络The Application of the smart Antenna in mobile CommunicationABSTRACTAs a key element of the mobile communication, the antenna is radia
4、tion and receives electromagnetic wave components. The performance of the antenna to the overall performance of mobile communication plays a very important role. Due to the needs of the user increases, the mobile communication system to the requirements of the antenna has improved. This paper first
5、introduces the theory of electromagnetic wave antenna and some important parameters .then t describes the smart antenna system. it is by an antenna array and a set of the beam formation of the network, there are many differences between intelligent and traditional antenna. it has no interference bet
6、ween signal each other , it can reduce outside interference and noise, reduce the influence of radiation power, improve signal coverage and so on. Intelligent antenna technology will provide the best quality service to the mobile communication in future. Key words: the smart antenna; the mobile comm
7、unication; Antenna array; Beam form a network 目 录1 绪论 .11.1 国内外对智能天线的研究 .11.2 移动通信及其面临的问题 .12 天线的电磁波理论 .22.1 电磁波辐射 .22.2 时变场的滞后位 .22.3 电偶极子的近区场和远区场 .43 天线的电参数 .43.1 天线方向图 .43.2 天线方向系数 .63.3 天线增益 .63.4 天线的噪声温度 .74 智能天线 .74.1 智能天线原理 .74.2 智能天线系统 .84.3 智能天线在实际中的应用及不足 .12总结 .13参考文献 .14致 谢 .151智 能 天 线 在
8、移 动 通 信 中 的 应 用1 绪论现代信息技术的诸多领域几乎全部涉及到电磁场和电磁波理论。天线就是一种能按规定方向有效地辐射电磁波的装置。移动通信无疑是与人们的生活关系最密切的领域之一，而天线是移动通信中最关键的部分。随着移动用户和移动业务需求量的增加，如用户需求从简单的语言通信发展到短信息、网页浏览甚至视屏和在线游戏等，这些业务对传输量要求越来越高，通信信道的不足和干扰问题则是移动通信所面临的严重问题。智能天线技术给移动通信带来了福音，它最初应用于军事、雷达等方面，它是一种具有波束形成能力的天线阵列，能够产生空间的定向波束，这样可以使天线的主波束即主瓣对准期望用户信号到达方向，同时也能使
9、旁瓣或零陷对准干扰信号到达的方向，以此使智能天线具有充分利用移动用户信号，而且能够有效的抑制或删除干扰信号的性能。1.1 国内外对智能天线的研究20 世纪 90 年代由于 CDMA 成为第三代移动通信的主流技术，在移动通信中引入了“智能天线”技术，学术上称为波束赋形技术。由于多波束天线技术应用范围广泛，目前智能天线已经成为移动通信领域的一个研究热点，许多大学和研究机构都开展智能天线方面的研究开发，如美国斯坦福大学、瑞典皇家工学院以及索爱、诺基亚公司等。因为智能天线中的自适应数字多波束形成技术能够适用于移动通信 CDMA 系统，所以欧州委员的信息社会技术计划和 ACTC 计划对智能天线技术都有支
10、持。随着无线电技术的迅速发展和提高以及信息处理技术的互相联合，使得多波束自适应算法的改进将是今后的研究课题，也是其核心技术。国内有关研究所也积极从事这方面的研究。大唐电信信威公司研究开发的 TD-SCDMA系统将智能天线应用于时分双工(TDD)方式的 WLL 系统中，是国际上第一个使用智能天线系统的公司。 11.2 移动通信及其面临的问题移动通信是指通信双方至少有一方在移动中或是临时停在某一个非预定的位置上进行信息的传输和交换，包括移动体和移动体之间、移动体和非移动体之间的通信。按照移动通信的设备分类，包括蜂窝状移动电话、公用无绳电话、移动通信卫星、移动数据2通信、无线局域网、蓝牙传递信息等。
11、通信技术的发展极大地影响着人类社会的进步，高效、便捷、精准的通信技术对于加快运行的效率以及方便人们的生活意义重大，移动通信市场的高速增长有力地推动了移动通信技术的发展，同时也对通信技术提出了更高的要求。一方面要通信盲区不断的缩减 ，电磁波的传播过程中由于多方面的原因如地形复杂造成了通信中信道的衰落，如路径损耗、阴影衰落等是通信质量受到严重的影响。另一方面也要求通信质量以及通信涵盖范围有大幅上升，移动通信可以利用的频谱资源非常有限，但是移动通信业务量的需求却与日俱增,越来越多的新型通信技术开始规模化地应用到移动通信之中。传统的天线-蜂窝系统的性能和容量已经无法满足现代通信的需求，其主要原因是由于
12、信号的干扰所造成的，而最通常的干扰有同信道干扰和相邻信道干扰，如在同一小区内用户数的中增加意味着每一个移动用户的同信道干扰的增加和 信干比的下降。在这方面智能天线能够有效的解决这一问题，研究智能天线的性能和智能天线系统的实现成为我们的当务之急，同时智能天线也是一种随着时间发展不断加入新技术的不断跟新的技术。2 天线的电磁波理论2.1 电磁波辐射22 电磁波辐射是一种携带能量的电磁波向远处传播出去而不再返回波源的现象。当振荡源的频率提高到时变电磁场的波长和天线的尺寸可以比拟的时候，就会产生显著地辐射。电磁波辐射系统最简单的形式电偶极子和磁偶极子。电偶极子是长度非常短的直流电流元，它远小于波长，以
13、至于可以认为其上各点的电流是等幅等相的。由于电偶极子是一端孤立的电流元，随着电流的流动性在其两端必然出现等值异性的电荷，一端为+q，另一端则为-q，其电荷量的大小及正负都随时间变化，而实际的天线看作是无数的这种电偶极子的连接。如果求出了电偶极子所产生的电场、磁场，同时又知道了某天线上的电流分布规律，就可以根据场的叠加原理，利用积分的方法，求出天线所产生的场。2.2 时变场的滞后位动态场中引入的标量位和矢量位是滞后位，即它们的值是由此时刻以前的源决定的，滞后的时间是电磁波传播从源点到场点所需的时间。利用滞后位可计算电流元的辐射场，由此可作出它的方向图并计算其辐射功率，辐射电阻，方向向系数及增益等
14、参量。下面3给出滞后位给出简单的推导。点电荷在周围产生的场就有球对称性，标量电位 只与径向 r 有关， 满足的方程为（2-1）2210drk设 ,则上式变为1()rU（2-2）20dUkr则此式为一维波动方程，其通解为（2-3）12()jkrjkrce于是 是瞬时值表达式为()Ur（其中 、 为待定系数） （2-4）()()12(,)Rejtkrjtkrrtce1c2假设 仅是 的函数，则(,)rt2f（2-5）21(,)()rrtft位于坐标原点的静止电荷 产生的标量电位为（2-6）()4r由于静态场是时变场的特殊情况，则时变场的标量位应为（2-7）()(,)4trr则体积 内部分布电荷产生
15、的标量位为（2-8）()1(,)4trtdr上式表明在 点处 时刻的标量电位不是由 时刻体积 内的电荷密度决定，而是由rt t时刻的电荷密度决定，观察点的位场变化滞后于源的变化，滞后的 时间是源的变()rt r动以速度 传播距离到观察点所需要的时间。 1142.3 电偶极子的近区场和远区场2.3.1 近区场近区场是指从源点到场点的距离 r 远远小于波长，即 ， 。其电场、r=21kr=磁场的表示式为（2-9）3cos2rIdlEjr（2-10）in4（2-11）2sIlHr近场区明显的特点是电场强度与磁场强度有 的时间相位差。即 、 与 相差2rEH一个因子 。这就意味着 以及由 所形成的功率
16、密度的平均值等于零。近区场形jrE成的坡印廷矢量的平均值等于零，即近区场只存在能量的交换而无能量的传播，亦为感应场。2.3.2 远区场远区场指源点到场点的距离远远大于波长，即 ， 。其电场、磁场r=21kr=的表示式为（2-12）sin2jkrIdlEjer（2-13）jrH远区场明显的特点是电场强度 与磁场强度 的时间相位相同。它们形成了功率密度，H即远区场形成向 传播的能量，亦远区场又称为辐射场。r3 天线的电参数天线的作用是发射或接收电磁波。为了评价一副天线技术性能的优劣，必须规定一些能表征其性能的参数。根据互易原理，同一副天线用作发射和接收时，其特性参数是相同的，只是具体含义有所不同。
17、则下面只选择其中的一项来定义各参数。 23.1 天线方向图有关天线的很多特性如辐射场的振幅、相位、极化等都是与方向有关的，天线的方向性主要是指场振幅随方向的变化。方向性函数是描述天线辐射场的大小与方向之间关系的函数，为了便于作图和比较不同天线的方向性，往往采用归一化方向图。5将天线置于球坐标系中，由于天线的定向辐射（接收）作用，它在距离 r 的球面上各点的辐射（接收）强度是不相同的，即是角坐标 的函数，可写为 ，,(,)EAf其中 A 为比例系数。将其归一化得（3-1）max(,)(,)fF其中 为方向性函数 的最大值。 3maxf ,f根据方向性函数所描绘出的图形称为天线的方向图；表示辐射（或接收）场强振幅方向特性的称为场强振幅方向图；表示辐射（或接收）功率方向特性的称为相位方向图，表示极化特性的称为极化方向图。工程上为了方便表示，常采用 E 平面和 H 平面这两个相互正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性，亦可采用直角坐标或极坐标。图 3-1 天线方向图3.1.1 主瓣宽度主瓣宽度是强方向性天线最重要的参数之一，一般是指半功率主瓣宽度（3dB 宽度） 。即方向图主瓣上两个半功率电平点之间的夹角(即场强从最大值降到 倍处之间的夹角)。12如图 3-1 所示，主瓣宽度越小说明天线辐射能量越集中（或接收能力越强） ，定向作用或方向性越强。
