用于MIMO系统基站的寄生振子开关八木分集天线概要.docx
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用于MIMO系统基站的寄生振子开关八木分集天线概要
第12期2007年12月
电子学报
ACrAEU£CTRONICASINICA
V01.35No.12Dec.2007
用于MIMO系统基站的寄生振子开关八木分集天线
程焱1’2,聂在平2
(1.中国电子科技集团第十研究所,四川成都610036;2.电子科技大学,四川成都610054
摘要:
提出了一种用于MIMO系统基站的寄生振子开关八木分集天线.采用寄生振子开关八木天线阵列组成基站分集天线系统.该天线系统充分利用基站空间,在Z向进行组阵以获取阵列增益,在水平面则利用天线方向图的可重构性来进行方向图分集.通过MIMO通信平台的外场测试,得到了多天线系统的误码率的实验数据,说明了该基站天线的确具有提高信道容量、降低误码率的作用.
关键词:
MIMO无线通信;天线分集;八木天线;方向图可重构
中图分类号:
TN828.6,文献标识码:
A文章编号:
0372—2112(200712.2417.04
ASwitchedParasiticYagi—UdaDiversityAntennaUsedforMIMOBaseStation
CHENGYahI,2,NIEZai一西H孑
(1.‰lOthInstituteofChinaElectronicand死咖洲09删Group,Chengdu,Sichuan610036,Ch/na;
2.UniversityofElectrordcScienceandTechnologyofChina,Chengdu,Sichuan610054,Ch/na
Abstract:
Aswitchedparasiticyagi-udadiversityantennaforMIMObasestationispresented.Thisdiversityantennasystemiscomposedofswitchedparasiticyagi-udaantennasandmakesfulluseofthebasestatiodspace.ItcontainsantennaarraygongZ-directiontoachievearraygainwhileusesthereconfigurableradiationpatterntogetpatterndiversityintheazimuthplane.UsingitintheexperimentalMIMOsystemshowsthatthisdiversityantennasystemCanincreasechannelcapacityanddecreaseBERofthecommunicationsystem.
Keywords:
MIMOwirelesscommunication;antennadiversity;yagi—udaantenna;radiationpattem
reconfigurable
1引言
移动通信业务已经从传统的话音扩展到数据、图像、视频等多媒体业务,对服务质量和传输速率的要求也越来越高.而工作频带在移动通信中是非常稀缺的资源,因此,必须采用先进的技术有效地利用有限的频率资源,满足高速率、大容量的业务需求;同时克服高速数据在无线信道下的多径衰落,降低噪声和多径干扰,达到改善系统性能的目的.多输入多输出(Mtdtiple---InputMultiple--Output,MIMO技术就是基于上述目的而提出的新技术,并已成为目前无线通信领域的研究热点之一.M1MO技术能大大提高系统的容量,被视为未来无线通信中最有竞争力的技术之一,亦已被作为后3G的候选技术.
1908年,Marconi就提出了利用多天线技术来抗衰落.在20世纪70年代有人提出将多人多出(MIMO技术用于通信系统,但是对无线移动通信系统M1MO技术产生巨大推动的奠基工作则是20世纪90年代由AT&
收稿日期:
2006-03-06;修回日期:
2007.07—05T(AmericanTelephone&TelegraphCompany,美国电话电报公司Bell实验室学者完成的u刮.
MIMO(多人多出技术是基于多径无线信道的.MI.MO系统在发射端和接收端均采用多天线和多通道,将传统上认为有害的多径信道加以利用.研究表明,对于发射天线数为Ⅳ,接收天线数为M的MIMO系统,假定信道为独立的瑞利衰落信道,则在功率和带宽固定的情况下,信道的最大容量随min(M,N的增加而线性增加怛o;而同样条件下,只在接收端或发射端采用天线阵列的普通智能天线系统其容量仅随天线数的对数增加而增加.
为得到所需的增益以及系统容量,实现MIMO的各种优势,多天线的阵元及其布局的设计尤显重要.近来研究表明:
天线单元方向图、极化特性,多天线排列结构以及互耦都对MIMO通信性能有重大影响.
对于架设在高处的无线通信基站,基站天线一旦架设完成,其空间位置就基本固定下来,而不像移动终端一样会随机改变.但是从移动终端到达基站的信号却可
万方数据
2418电子学报2007年
能随机地来自任意方向,同时,基站发射出去的信号也
可能是针对位于任意方向的移动终端.因此要求所设计
的基站天线能够覆盖整个方位向.与移动终端天线相
比,基站天线的设计对体积、重量和成本要求相对宽松,
因此可充分利用基站空间提高增益等天线辐射特性.
对于MIMO系统中的基站天线,除了要达到上面所
说的移动通信基站天线的基本要求以外,为了达到较
好的分集效果,各分集天线单元之间的相关性要尽量
小.这就要求分集天线之间的间距尽量大.而且相对于
移动终端,基站天线可利用的空间受限较少,设计基站
天线时可以充分利用三维空间,考虑各种分集方式.
2天线形式与天线布局
2.1单元天线形式
本文采用寄生振子开关八木天线作为单元天线,
其工作频段选用MIMO系统实验平台的射频工作频率
2110~2170MHz.寄生振子开关天线H,5J具有结构简单、
便于制作、方向图可重构等特点,常应用于分集系统.
本文所采用的八木开关天线除具有寄生振子开关天线
的特点外,还具有方向性强、可进一步组成阵列的优
点.本文采用折合振
子作为有源单元,并在反射器中央装有微波开关,结构如图l所示.微波开关可根据需要控制反射器的通断,当反射器接通时,天线为折合振子八木天线;当反射器断开时,天线为
r
‘n_,刀微波开关/
L
匝睦k
图1寄生振子开关八木天线结构示意图
带散射体的折合振子天线,引向器以及断开的反射器则成为天线附近的散射体.八木天线可调整的参数较多,根据设计经验并用电磁仿真软件进行优化,得到的天线尺寸见表1:
表1寄生振子开关八木天线尺寸
1,.1aII12dld2d3d4
11竺l竺竺l竺竺I竺竺111竺l!
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竺Ii竺
2.2俯仰面内的天线组阵
为了有效利用基站的空间,在俯仰面内锐化波瓣获取阵列增益,进一步提高基站天线的覆盖半径,将四个寄生振子开关八木天线在z向即俯仰面内组成阵列,单元间距为一个波长左右.采用同相四等分功率分配器进行等幅同相的馈电.
当四个天线单元反射器上的微波开关同时接通时,天线阵列为四元折合振子八木天线阵列,此时方位面方向图具有较强的方向性,便于接收某一特定方向的来波;当四个天线单元反射器上的微波开关同时断开时,天线阵列为附近存在散射体的四元折合振子天线阵列,此时天线阵列方向性不是很强,可以接收各个方向的来波.
2.3方位面的天线分集
为得到所需的分集增益以及系统容量,实现MIMO的各种优势,多天线的阵元及其布局的设计尤显重要.近来研究表明:
天线单元方向图、极化特性,多天线排列结构以及互耦都对多天线之问的非相关性及MIMO通信性能有重大影响.
寄生振子开关八木天线具有方向图可重构的特性,因此用方位面内四元开关八木天线阵列作为多天线的分集单元,可在水平面内能实现方向图分集.同时,在水平面内用四个四元寄生振子开关八木天线阵列既能覆盖整个方位面,又具有较高的增益.天线布局如图2所示:
y+
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3
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4
x
来波
—+・—”II一
(回俯视图(6侧视削
图2分集天线布局示意图
图中的虚线单元代表八木天线的有源单元即折合振子.使用时可以根据实际情况将天线反射器上的微波开关断开或者导通,即将八木天线的反射器断开或者接通来控制天线方向图的重构,实现方向图分集.例如,当来波从戈=+∞处沿负x方向入射时,1号分集臂天线阵列中的反射器全部接通,1号臂为四元折合振子八木天线阵列;2、3、4号分集臂天线阵列中的反射器全部断开,2、3、4号臂为俯仰面内的四元带散射体的折合振子天线阵列,其引向器和反射器都充当散射体.1号臂用主瓣的最大方向对准来波;而2、3、4号臂由于反射器全部断开,方位面的方向性不是很强,但也可以接收来波,这样就达到了接收分集的目的.同理,当来波从其它方向入射时,微波开关可以根据来波方向作接通或者断开的相应调整,以达到最好的分集效果.同样,在下行链路中,也可以适当调整开关,以达到发射分集的目的.在实际应用中可根据需要组成六臂的开关阵列,做相应的扩展.
3测试结果
3.1天线单元测试结果
MIMO系统实验平台选用的射频工作频率为2110
万方数据
第12期程焱:
用于MIMO系统基站的寄生振子开关八木分集天线
~2170MHz.根据表1所列参数实际制作的寄生振子开关八木天线当反射器上的微波开关接通时,VSWR小于1.3,在整个工作频段内满足VSWR小于2;由于是按照八木天线进行的尺寸优化,因此当寄生振子开关八木天线反射器上…的微波开关断开,即天线为带散射体的折合振子时,VSWR会稍微变差,但是仍然满足整个工作频段内v鲫m小于2.测试所得天线方位面内方向图如图3(a所示.通过比’较法测得寄生振子开关八木天线的增益为6dBi(反射器上的微波开
。
。
巨盛癔葫黼蹩缈./巧002700寄生振了开关八木天线
关接通时和4dBi(反射器上的微波开关断开时.3.2天线阵列测试结果
作为分集单元的四元寄生振子开关八木天线阵列是通过微带同相四等分功率分配器进行等幅同相馈电的.测试所得阵列的VSWR在整个频段内均小于2.测试所得阵列的方位面方向图如图3(b所示.通过比较法测得四元寄生振子开关八木天线阵列的增益为12dBi(四个单元的反射器上的微波开关全部接通时和10dBi(四个单元的反射器上的微波开关全部断开时.从上面的测试结果可以看出:
与图3(o相比,俯仰面组阵对方位面方向图无明显影响,但获得了阵列增益,提高了天线的覆盖半径;作为分集单元的天线阵列,其主瓣宽度在90度到100度之间,所以在水平面内布置4个分集单元就能覆盖整个方位面.
3.3天线在系统测试平台上的测试结果
该寄生振子开关八木天线阵列作为MIMO系统中的基站端天线在系统测试平台上进行了上行链路的实验.即采用移动终端天线作为发射天线,该寄生振子开关八木天线阵列作为接收天线.所使用的实验平台工作频段为2110~2170MHz,中心频率为2150MHz,采用
QPSK(四相相移键控调制,空时编码为STBC(空时分组码方案.发射机的射频带宽为5MHz,最多可同时使用8路发射通道,每通道的最大发射功率为30dBm,天线接口驻波比小于1.3.接收机的信道带宽为5MHz,最多可同时使用4路接收通道,每通道的接收动态范围为…11080dBm.实验中传输的视频图像为分辨率200×150的图片.
发射天线为位于电子科技大学电子通信大楼823室内的便携式微带贴片天线;接收天线为寄生振子开关八木天线阵列,位于另一十二层建筑物的楼顶(四个分集臂反射器上的开关均断开.发射符号速率为2Mbps,采样率为20MHz,载波频率为2110MHz.误码率
一开关接通时90一・开关断开时癔—~~、60狳蹩缈
270
(b四元寄牛振子开关八木天线阵列
图3测试方向图
随总发射功率变化的曲线如图4所示,其中1T1R代表使用一个发射天线一个接收天线(即一个四元寄生振子开关八木天线阵列,4T4R代表同时使用4个发射天线4个接收天线.由图可见,多天线技术的应用,在总发射功率不变的条件下使误码率大为下降.
TotalT,Pwr/dBmW
图4误码率随发射总功率变化曲线
823室
4总结
本文设计制作了一种用于MIMO系统基站端的开关八木天线阵列.该天线阵列采用俯仰面内的四组开关八木天线作为多天线系统的分集单元.由于在俯仰面内组阵,锐化主瓣,获取了俯仰面内的阵列增益;同时,在方位面采用多天线分集,又获取了分集增益,使基站具有更大的覆盖半径.该天线结构简单,便于制作.天线通过微波开关控制其反射器的通断状态,可灵活地改变天线的方向性,重构方向图.同时,通过在水平面的合理布局,能实现水平全向覆盖以及水平面内的方向图分集.本文所给出的天线性能的实测数据以及天线在MIMO平台上的测试结果可以看出,该天线具有一定的分集效果.在总发射功率不变的情况下,相比单天线系统,多天线系统能够显著降低传输误码率,提高通信质量与容量.
致谢本文系统实验所应用的MIMO试验平台是由电子科技大学863“新型天线与分集技术”课题组研制的,系统的高频部分由中兴通信公司西安研究所提供,在此一并表示感谢.
万方数据
2420
电子学报
2007年
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线设计研究[D].成都:
电子科技大学,2005.
作者简介:
程焱女,1981年出生于重庆市,电子科技大学硕士毕业,现为中国电子科技集团第十研究所助理工程师.从事新一代移动通信中的多天线技术、毫米波收发组件方面的研究工作.E—mail:
irisjo@163.coal
聂在平男,1946年生于陕西西安,教授,博士生导师,中国电子
学会会士,IEEE高级会员.1981年在现电子科技大学获硕士学位;1987~1989年在美国伊利诺依大学电磁实验室从事研究工作;1990年以来主持并完成20余项研究课题,先后获国家科技进步二等奖一项,
省、部级科技进步一、二、三等奖共五项,在国内外发表学术论文200余篇.主要研究兴趣包括:
计算电磁学、电磁散射与逆散射、非均匀介质中的场与波、新一代移动通信中的多天线技术等.
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用于MIMO系统基站的寄生振子开关八木分集天线
作者:
程焱,聂在平,CHENGYan,NIEZai-ping
作者单位:
程焱,CHENGYan(中国电子科技集团第十研究所,四川成都,610036;电子科技大学,四川成都,610054,聂在平,NIEZai-ping(电子科技大学,四川成都,610054刊名:
电子学报
英文刊名:
ACTAELECTRONICASINICA年,卷(期:
2007,35(12引用次数:
0次
参考文献(6条
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theswitchedparasiticantenna20016.李忻新一代无线通信系统中的MIMO信道建模与多天线设计研究[学位论文]2005
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