馬 虹

（南京工業(yè)職業(yè)技術學院 南京 210046）

天線技術的發(fā)展與應用

馬 虹

（南京工業(yè)職業(yè)技術學院 南京 210046）

本文從電磁輻射理論出發(fā)，在建立室內及室外無線系統(tǒng)模型的基礎上，根據(jù)云計算對無線通信技術發(fā)展提出的新要求，介紹了天線技術的發(fā)展與研究方向，給出了天線技術的最新應用，并得出了相關結論。

云計算；電磁輻射；信道模型；超導天線

1 引言

電磁波是實現(xiàn)無線電通信的媒介，天線則是完成通信系統(tǒng)中無線電波輻射或接收的重要組件。天線的本質就是實現(xiàn)電流、電壓信號與電磁波之間轉換的傳感器，衡量其特性的主要參數(shù)是增益、效率、頻帶、阻抗及方向性等。云計算技術需要無線移動通信網絡有“海量”傳輸能力，其中天線是一個重要“瓶頸”。研究高性能天線就是構建合適的天線結構，獲得合理的天線電流分布，使之定向和高效地輻射電磁波。從應用的角度看，一個先進的無線通信系統(tǒng)需要依據(jù)天線系統(tǒng)的整體設計、環(huán)境特點及應用場合，選擇最佳天線結構與系統(tǒng)。自1837年誕生了無線電通信開始，天線技術的研究與應用從未停止過。在種類繁多，功能各異的天線家族中，大到以山體為依托的巨型射電天文天線，小到各種微型無線設備中的微帶天線，歸納起來就是我們通常所說的“線”天線和“面”天線兩大類。隨著無線通信技術的快速發(fā)展，目前，頻率、時間和編碼技術的潛力已發(fā)揮到極致。因此，以新型天線系統(tǒng)為代表的空間資源的開發(fā)越來越受到重視。本文在給出室內、外電波傳播模型的基礎上，著重介紹一組在未來云計算技術應用中的新型天線及研究進展。

2 室內信道模型

室內無線環(huán)境的特點為：覆蓋范圍小，傳播距離短，傳輸時延小，用戶常處在靜止或慢移動狀態(tài)，環(huán)境較為復雜。

對于復雜的隨機時變室內無線傳播信道，可采用沖激響應的數(shù)學模型方法，在三維空間中的每一個點，信道可以建模為一個線性時變的濾波器。其沖激響應為：

其中，t為觀測時間，τ為延時時間，N(τ)為多徑個數(shù)，ak(t)、τk(t)、θk（t)分別為第 k 條多徑的幅度到達的時間和相位。

3 室外信道模型

3.1 自由空間傳播模型

自由空間模型用于預測接收機和發(fā)射機之間的視距路徑時接收信號的場強。自由空間中，距發(fā)射機d（單位m）處的天線接收功率為：

其中，pr（d）為接收功率，pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，Gr為接收天線增益，L為損耗因子，λ為波長。

3.2 陰影衰落

電磁波傳播路徑受到阻礙時，即無線設備通過不同障礙物陰影區(qū)時，接收信號的均值會發(fā)生變化，稱為陰影衰弱。

基于理論和測試的傳播模型，在任意收—發(fā)距離上，平均大尺度路徑損耗為：

其中，n為路徑損耗指數(shù)，d0為近地參與距離，d為收—發(fā)距離，PL為給定d時所有可能路徑損耗的綜合平均值。

3.3 選擇性衰弱

根據(jù)信號參數(shù)和信道參數(shù)之間的關系不同，發(fā)射信號會發(fā)生不同類型的衰弱，稱此為選擇性衰弱，它包括時間、頻率和空間選擇性。

4 新型天線

4.1 分形天線

分形天線是利用分形幾何學理論直接生成分形幾何圖形構成的寬帶天線，天線的形狀具有自相似性，如圖1所示。

分形天線最典型的特點是有較寬的頻帶寬度且所占空間緊湊。目前已研制成功的分形天線有：電偶極子天線、微帶天線、陣列天線、頻率選擇表面天線等。Motorola公司已經把Sierpinski天線植入手機中，使天線效率提高了25%。UCLA用陣列Mincoski環(huán)天線構成了筆記本電腦無線網絡[1]。半徑相同的Koch環(huán)和圓環(huán)輻射電阻的比較如圖2所示。

4.2 超導天線

超導天線就是利用鈀釔銅混合物的超導材料制作成天線，使得天線的輻射效率大大提高。Walker和Haden通過實驗將小環(huán)天線冷卻到液氦溫度，結果使天線的輻射效率提高了500倍。原因很簡單：一方面，超導天線的歐姆損耗極小，從而最大限度地提高了天線的效率；另一方面，應用超導技術可以輸入大功率信號，從而提高天線及其匹配網絡的效率，對接收天線而言則可以改善信噪比。

4.3 方向回溯天線

方向回溯天線實際上是一個特殊的天線陣，當接收一個非指定方向的信號時，天線陣可以自動輻射一個同來波方向一樣的信號，而不要求任何關于輻射源方向的先驗參數(shù)。

方向回溯天線陣的響應是一個定向波束，定向波束使通信鏈路增益大為提高。定向輻射的另一個作用是降低了信號被未知第三者截獲的概率，增強了保密性，此特性可用于微波導航燈塔。

4.4 微波光子晶體天線

微波光晶體是周期性結構材料，有介質PBG，金屬PBG，金屬/介質PBG（PBG稱為光子帶隙材料）。用微波光晶體材料構成的天線，對于任何入射角、任何極化形式的來波，在一定頻帶內它阻礙電磁波的傳播，也就是PBG材料可使電磁波高度定向地傳播。這就使得諸如微帶天線的增益大大提高。對這類天線的研究主要是利用三維全波積分方程和互逆原理來確定基本電流元的遠區(qū)輻射場。

4.5 智能天線

所謂智能天線，就是能夠利用多個天線陣元的組合進行信號處理，自動調整發(fā)射和接收方向圖，以針對不同的信號環(huán)境達到性能最優(yōu)的天線[2]。

智能天線的實質就是實現(xiàn)系統(tǒng)工作過程中天線電流分布及隨之的空間輻射、接收性能可控，達到提升系統(tǒng)性能的目的。從陣列智能化角度考慮，目前智能天線的主要工作方式有3種。

（1）波束切換

波束切換技術雖然簡單，但對移動通信分區(qū)而言，在小區(qū)內天線形成多個固定的波束，用戶始終工作在最優(yōu)波束中,天線增益顯著。波束切換技術也存在不足，若波束過窄會使用戶在波束中頻繁切換，給網絡造成不必要的負擔，若波束過寬，則其性能較差。

（2）類似主波束形成的方法

這種方法首先估計最大接收功率的信號來向，然后在該方向上得到最優(yōu)權向量。

（3）自適應陣列

此種智能天線的陣列對單個用戶可以形成多個波束來實現(xiàn)多徑的最大合并，并在干擾方向上形成零陷，從而可以實現(xiàn)SINR的最大化。

4.6 多天線技術

多天線技術就是在通信系統(tǒng)中采用多副天線收、發(fā)信號，同時結合空時編碼技術，使得通信系統(tǒng)容量成倍增加，且能大大提高頻譜利用率。因此，多天線系統(tǒng)的核心思想是空時信號處理，即在原來的時間維的基礎上，通過使用多副天線來增加空間維，從而實現(xiàn)多維信號處理，獲得空間復用增益或空間分集增益。由此，多天線技術可以視為智能天線的一種擴展[3]。

在nt副發(fā)送天線、nr副接收天線的多天線系統(tǒng)中，若第i副發(fā)送天線到第j副接收天線之間的信道衰落系數(shù)用hj,i表示，第i副發(fā)送天線發(fā)送的信號為xi，第j副接收天線收到的信號用yj表示時，它們滿足以下關系式：

以WCDMA基于空時分組編碼的空時發(fā)送分集（STTD）方案如圖3所示，方案中使用了經典的2天線Alamouti空時分組碼[4]。

5 結束語

隨著信息社會的高速發(fā)展和移動通信的異軍突起，無線通信技術的研究也不斷深入，特別是近年來重視了空間維的進一步開發(fā)和利用以及云計算概念的提出。因此，在新技術、新材料、新體制的支撐下，天線技術的研究和應用必將取得重要突破。天線技術已成為通信技術的一個重要分支。

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 阮成禮.超寬帶天線與理論.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006

3 金榮洪.無線通信中的智能天線.北京：北京郵電大學出版社，2006

4 羅濤.多天線無線通信原理與應用.北京：北京郵電大學出版社，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）