移動通信的無線信道技術(shù)分析論文
摘要：隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種無線通信設(shè)備的應(yīng)用場合日益擴展。與此同時，無線通信技術(shù)也已被廣泛應(yīng)用于GSM、WiMAX、TD-CDMA、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)等領(lǐng)域。信息技術(shù)的飛速發(fā)展對各種新型的移動終端通信設(shè)備也突出了更高的要求，如小型化、多功能、高性能等等。文章主要分析了移動通信中的無線信道技術(shù)，以供同行參考。
關(guān)鍵詞：移動通信；無線信道技術(shù)；微帶天線；小型化
中圖分類號：TN929.5 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-1131（2016）05-0251-02
引言
伴隨著近年來快速發(fā)展的無線通信技術(shù)，越來越多的電子設(shè)備采用無線通信的方式，各種移動通信制式也在持續(xù)增加，造成了頻譜資源的日益緊張，傳統(tǒng)的單頻通信器件已不能滿足無線通信的迫切需求。而同時采用多個單頻通信器件的級聯(lián)來實現(xiàn)多通帶的方式將使通信設(shè)備的成本和體積都大大增加。天線作為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中最重要的前端部件，其設(shè)計要求隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，小型化、多極化、多頻段、寬帶化是當(dāng)前天線技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。因此，通過借助無線信道技術(shù)，研究設(shè)計出性能優(yōu)異、能夠滿足目前多樣化通信要求的多頻帶天線具有十分重要的意義。
1使用加載的無線信道技術(shù)分析
使用加載的方法，顧名思義，就是在天線的輻射單元上加入額外的元件以達到改變天線輻射單元上電流分布情況的目的。加載可以分為介質(zhì)加載，集總元件加載，短路針加載和頂加載等不同情況。此外，采用介質(zhì)加載的小型化天線，通過加載介質(zhì)使得天線的諧振頻率顯著降低，從而有效地減小了天線的尺寸。但是加載高介電常數(shù)的介質(zhì)板一般不容易實現(xiàn)，需要由復(fù)雜的過程合成，其中典型的代表就是低溫共燒陶瓷（LTCC）材料，此類材料除了可以獲得高介電常數(shù)外還具有比較穩(wěn)定的輻射特性以及較低的介質(zhì)損耗，采用LTCC技術(shù)可以有效實現(xiàn)天線的小型化，但由于加工制作難度大而極大地限制了它的應(yīng)用。RichardH.Chen等人通過在天線的半波長槽里面加載一對背向放置、關(guān)于天線軸對稱的C形環(huán)的方法實現(xiàn)其小型化。通過對比加載前后天線的頻率響應(yīng)特性結(jié)果可以看到，加載C形環(huán)之后，天線的諧振頻率得到了顯著的降低，從而實現(xiàn)了大約50%的尺寸縮減。但需要注意的是，加載之后的天線帶寬變窄，而且隨著小型化程度的加深，天線增益也會隨之變差，這些對于要求高增益、寬頻帶天線的應(yīng)用是極為不利的。在槽天線的環(huán)形槽里面加載若干對槽形枝節(jié)可以改變天線的電流路徑，這里主要是使得它的電流路徑增長，從而減小諧振頻率，并最終達到減小天線尺寸的目的。與此同時，通過這樣的加載方法，還較好地保持了天線原本的的平面結(jié)構(gòu)特性，并未增加天線加工制作的難度，而且可以減小天線的交叉極化。但是不可忽視的是在天線尺寸減小、頻率向低頻偏移的過程中，天線的帶寬也隨之變窄，天線性能發(fā)生了一定程度的惡化。
2應(yīng)用分形結(jié)構(gòu)的無線信道技術(shù)分析
分形這一概念起源于幾何中的分形圖形，由Mandelbrot最早提出這一概念，由于其自身一些特殊的性質(zhì)如空間填充性和自相似性等而迅速被應(yīng)用到天線的小型化、寬頻帶或者多頻帶設(shè)計中。應(yīng)用于天線設(shè)計時既是一種寬頻帶方法，也是一種小型化方法，還可用于多頻帶天線的設(shè)計。分形結(jié)構(gòu)的空間填充性決定了采用分形結(jié)構(gòu)的輻射片可以在不增加天線原來尺寸的基礎(chǔ)上增長電流路徑、減小諧振頻率，從而實現(xiàn)天線的.小型化；另一方面，在實現(xiàn)分形過程中需要不斷的對輻射片或接地板進行劃分和切割，這樣就降低了天線的Q值，從而拓寬天線頻帶。天線設(shè)計中常用的分形結(jié)構(gòu)有Hilbert分形曲線、謝爾賓斯基分形地毯、Minkowski分形曲線、Koch分形曲線等等。例如MustafaK.TaherAl-Nuaimi等人針對印刷槽天線提出了一種小型化技術(shù)。文章用Minkowski分形曲線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的方形槽，通過對比采用第一、二、三階分形結(jié)構(gòu)的天線性能，可以看到第三階分形天線的諧振頻率明顯下降，最終使得天線尺寸相比于傳統(tǒng)方形槽而言縮減小了約33.6%，文章對分形天線的輻射、阻抗、增益等性能進行了詳細(xì)分析，得出結(jié)論：在尺寸減小的同時，還較好地保持了天線其他方面的性能。AnanthSundaram等人在2007年設(shè)計的Koch分形折疊槽天線及對應(yīng)的頻率響應(yīng)特性，該天線將Koch分形結(jié)構(gòu)應(yīng)用到折疊槽天線設(shè)計中，通過對比傳統(tǒng)的槽天線及第一階、第二階天線的頻率響應(yīng)特性可見隨著分形次數(shù)增加，天線的諧振頻率降低，特別是一階分形天線跟傳統(tǒng)方形槽天線相比較時，頻率下降更顯著。因此，利用Koch分形可以有效地實現(xiàn)天線的小型化設(shè)計，獲得更緊湊的結(jié)構(gòu)。同時，隨著分形次數(shù)的增加，天線的通帶特性基本不受影響，10-dB回波損耗帶寬有所減小。另外，HomayoonOraizi等人結(jié)合兩種不同的分形結(jié)構(gòu)，即將皮亞諾曲線分形和謝爾賓斯基地毯分形結(jié)合起來應(yīng)用到微帶天線輻射貼片的設(shè)計中，通過對輻射貼片進行分形處理的過程和采用不同分形時天線的頻率響應(yīng)特性對比發(fā)現(xiàn)，兩種分形結(jié)構(gòu)的結(jié)合使用，天線的第一個諧振頻率（基頻）顯著下降，從而實現(xiàn)了天線的小型化設(shè)計。此外，該天線還擁有全向輻射模式，良好的增益及較高的效率。因此，應(yīng)用分形實現(xiàn)天線的小型化時還較好地保持了其優(yōu)異的性能。相對于前述兩種天線的小型化方法而言，改變天線輻射貼片的形狀應(yīng)用比較廣泛。歸結(jié)起來，主要有蜿蜒折疊輻射貼片和在輻射片上打孔開縫兩種情形。蜿蜒折疊輻射片主要是使得天線的有效電流路徑增長，具有曲流作用；天線的孔或者縫可以提高其Q值，同時也具有一定的曲流作用。需要說明的是，這幾種小型化的技術(shù)手段并不是相互獨立、互不相干的，比如打孔開縫既屬于改變輻射貼片形狀，有時候也可以理解為一種加載技術(shù)。
3采用新型材料或結(jié)構(gòu)的無線信道技術(shù)分析
近年來，超材料（Metamaterial，MM）的發(fā)現(xiàn)為電磁理論的研究開辟了一個全新的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景，MM在天線領(lǐng)域的應(yīng)用也獲得了極大的關(guān)注。2012年，TongLi等人采用具有較高電容值的交趾電容加載的環(huán)形諧振器（interdigitalcapacitanceloadingloopresonator，IDCLLR）取代傳統(tǒng)分裂環(huán)諧振器（split-ringresonator，SRR）對單極子超寬帶天線進行加載。通過對比SSR及IDCLLR、加載了IDCLLR的超寬帶天線相應(yīng)的頻率響應(yīng)特性現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)的SRR，IDCLLR的加入可以有效地實現(xiàn)緊湊型陷波超寬帶天線的設(shè)計。此外，DaliaM.Elsheakh等人對印刷的平面倒F天線（printedinverted-Fantennas，PIFA）進行的改進，可以看到，采用L形枝節(jié)加載并結(jié)合運用EBG結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)微帶天線的地平面可以有效地減小天線基頻，實現(xiàn)減小其尺寸的效果。同時，通過對不同形式的EBG結(jié)構(gòu)進行對比研究，結(jié)果表明，該天線能較好地實現(xiàn)天線的小型化設(shè)計，尺寸縮減了大約80%，同時較好地保持了天線各個方面的優(yōu)良特性。
4結(jié)語
隨著電路集成度的不斷提高，無線通信電子產(chǎn)品越來越小巧便捷，無線通信設(shè)備終端天線的小型化也就隨之成為當(dāng)前所有天線設(shè)計中不可避免的趨勢。天線的小型化即通過一些技術(shù)手段在保證天線一定性能的前提下減小天線的體積，或者使某一尺寸固定的天線收發(fā)更低頻段的電磁波。不管怎樣，小型化的實質(zhì)在于增大收發(fā)電磁波波長和天線尺寸的比值，既可以采用更小尺寸的天線對某一頻段的電磁波進行收發(fā)，從而節(jié)省天線所占的面積。常用的小型化技術(shù)如：使用加載技術(shù)、使用分形幾何形狀、改變輻射貼片形狀、增加介電常數(shù)、引入有源網(wǎng)絡(luò)、采用計算機算法輔助設(shè)計等。其中又以使用加載、采用分形結(jié)構(gòu)、改變輻射貼片形狀的方法應(yīng)用最為廣泛。而采用分形結(jié)構(gòu)、改變輻射貼片形狀都是以改變天線輻射貼片表面電流的路徑為目的的。
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