天线技术的发展与应用

马 虹

（南京工业职业技术学院 南京 210046）

天线技术的发展与应用

马 虹

（南京工业职业技术学院 南京 210046）

本文从电磁辐射理论出发，在建立室内及室外无线系统模型的基础上，根据云计算对无线通信技术发展提出的新要求，介绍了天线技术的发展与研究方向，给出了天线技术的最新应用，并得出了相关结论。

云计算；电磁辐射；信道模型；超导天线

1 引言

电磁波是实现无线电通信的媒介，天线则是完成通信系统中无线电波辐射或接收的重要组件。天线的本质就是实现电流、电压信号与电磁波之间转换的传感器，衡量其特性的主要参数是增益、效率、频带、阻抗及方向性等。云计算技术需要无线移动通信网络有“海量”传输能力，其中天线是一个重要“瓶颈”。研究高性能天线就是构建合适的天线结构，获得合理的天线电流分布，使之定向和高效地辐射电磁波。从应用的角度看，一个先进的无线通信系统需要依据天线系统的整体设计、环境特点及应用场合，选择最佳天线结构与系统。自1837年诞生了无线电通信开始，天线技术的研究与应用从未停止过。在种类繁多，功能各异的天线家族中，大到以山体为依托的巨型射电天文天线，小到各种微型无线设备中的微带天线，归纳起来就是我们通常所说的“线”天线和“面”天线两大类。随着无线通信技术的快速发展，目前，频率、时间和编码技术的潜力已发挥到极致。因此，以新型天线系统为代表的空间资源的开发越来越受到重视。本文在给出室内、外电波传播模型的基础上，着重介绍一组在未来云计算技术应用中的新型天线及研究进展。

2 室内信道模型

室内无线环境的特点为：覆盖范围小，传播距离短，传输时延小，用户常处在静止或慢移动状态，环境较为复杂。

对于复杂的随机时变室内无线传播信道，可采用冲激响应的数学模型方法，在三维空间中的每一个点，信道可以建模为一个线性时变的滤波器。其冲激响应为：

其中，t为观测时间，τ为延时时间，N(τ)为多径个数，ak(t)、τk(t)、θk（t)分别为第 k 条多径的幅度到达的时间和相位。

3 室外信道模型

3.1 自由空间传播模型

自由空间模型用于预测接收机和发射机之间的视距路径时接收信号的场强。自由空间中，距发射机d（单位m）处的天线接收功率为：

其中，pr（d）为接收功率，pt为发射功率，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，L为损耗因子，λ为波长。

3.2 阴影衰落

电磁波传播路径受到阻碍时，即无线设备通过不同障碍物阴影区时，接收信号的均值会发生变化，称为阴影衰弱。

基于理论和测试的传播模型，在任意收—发距离上，平均大尺度路径损耗为：

其中，n为路径损耗指数，d0为近地参与距离，d为收—发距离，PL为给定d时所有可能路径损耗的综合平均值。

3.3 选择性衰弱

根据信号参数和信道参数之间的关系不同，发射信号会发生不同类型的衰弱，称此为选择性衰弱，它包括时间、频率和空间选择性。

4 新型天线

4.1 分形天线

分形天线是利用分形几何学理论直接生成分形几何图形构成的宽带天线，天线的形状具有自相似性，如图1所示。

分形天线最典型的特点是有较宽的频带宽度且所占空间紧凑。目前已研制成功的分形天线有：电偶极子天线、微带天线、阵列天线、频率选择表面天线等。Motorola公司已经把Sierpinski天线植入手机中，使天线效率提高了25%。UCLA用阵列Mincoski环天线构成了笔记本电脑无线网络[1]。半径相同的Koch环和圆环辐射电阻的比较如图2所示。

4.2 超导天线

超导天线就是利用钯钇铜混合物的超导材料制作成天线，使得天线的辐射效率大大提高。Walker和Haden通过实验将小环天线冷却到液氦温度，结果使天线的辐射效率提高了500倍。原因很简单：一方面，超导天线的欧姆损耗极小，从而最大限度地提高了天线的效率；另一方面，应用超导技术可以输入大功率信号，从而提高天线及其匹配网络的效率，对接收天线而言则可以改善信噪比。

4.3 方向回溯天线

方向回溯天线实际上是一个特殊的天线阵，当接收一个非指定方向的信号时，天线阵可以自动辐射一个同来波方向一样的信号，而不要求任何关于辐射源方向的先验参数。

方向回溯天线阵的响应是一个定向波束，定向波束使通信链路增益大为提高。定向辐射的另一个作用是降低了信号被未知第三者截获的概率，增强了保密性，此特性可用于微波导航灯塔。

4.4 微波光子晶体天线

微波光晶体是周期性结构材料，有介质PBG，金属PBG，金属/介质PBG（PBG称为光子带隙材料）。用微波光晶体材料构成的天线，对于任何入射角、任何极化形式的来波，在一定频带内它阻碍电磁波的传播，也就是PBG材料可使电磁波高度定向地传播。这就使得诸如微带天线的增益大大提高。对这类天线的研究主要是利用三维全波积分方程和互逆原理来确定基本电流元的远区辐射场。

4.5 智能天线

所谓智能天线，就是能够利用多个天线阵元的组合进行信号处理，自动调整发射和接收方向图，以针对不同的信号环境达到性能最优的天线[2]。

智能天线的实质就是实现系统工作过程中天线电流分布及随之的空间辐射、接收性能可控，达到提升系统性能的目的。从阵列智能化角度考虑，目前智能天线的主要工作方式有3种。

（1）波束切换

波束切换技术虽然简单，但对移动通信分区而言，在小区内天线形成多个固定的波束，用户始终工作在最优波束中,天线增益显著。波束切换技术也存在不足，若波束过窄会使用户在波束中频繁切换，给网络造成不必要的负担，若波束过宽，则其性能较差。

（2）类似主波束形成的方法

这种方法首先估计最大接收功率的信号来向，然后在该方向上得到最优权向量。

（3）自适应阵列

此种智能天线的阵列对单个用户可以形成多个波束来实现多径的最大合并，并在干扰方向上形成零陷，从而可以实现SINR的最大化。

4.6 多天线技术

多天线技术就是在通信系统中采用多副天线收、发信号，同时结合空时编码技术，使得通信系统容量成倍增加，且能大大提高频谱利用率。因此，多天线系统的核心思想是空时信号处理，即在原来的时间维的基础上，通过使用多副天线来增加空间维，从而实现多维信号处理，获得空间复用增益或空间分集增益。由此，多天线技术可以视为智能天线的一种扩展[3]。

在nt副发送天线、nr副接收天线的多天线系统中，若第i副发送天线到第j副接收天线之间的信道衰落系数用hj,i表示，第i副发送天线发送的信号为xi，第j副接收天线收到的信号用yj表示时，它们满足以下关系式：

以WCDMA基于空时分组编码的空时发送分集（STTD）方案如图3所示，方案中使用了经典的2天线Alamouti空时分组码[4]。

5 结束语

随着信息社会的高速发展和移动通信的异军突起，无线通信技术的研究也不断深入，特别是近年来重视了空间维的进一步开发和利用以及云计算概念的提出。因此，在新技术、新材料、新体制的支撑下，天线技术的研究和应用必将取得重要突破。天线技术已成为通信技术的一个重要分支。

1 LIN X C,WANG L T.A broadband CPW-fed loop slot antenna with harmonic control.IEEE Antennas and Wireless Prolagation Letters,2003,2:323～324

2 阮成礼.超宽带天线与理论.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006

3 金荣洪.无线通信中的智能天线.北京：北京邮电大学出版社，2006

4 罗涛.多天线无线通信原理与应用.北京：北京邮电大学出版社，2005

Development and Application of Antenna Technology

Ma Hong
(Nanjing Institute of Industry Technology,Nanjing 210046,China)

This paper begin with the electromagnetic radiation theory,based on setting up indoor and outdoor wireless systems model,and according to the new require of development of wireless communication technology which suggested by cloud computing,introducing development and research direction of antenna technology.At last this paper give up-to-date application of antenna technology,and the relational conclusions were obtained.

cloud computing,electromagnetic radiation,channel model,superconducting antenna

2010－08－04）