mimo系统的移动终端单元天线设计

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1、电子科技人学硕十学位论文厂]V肚{喜可差{霍l。’雹}。辱一l寥图1-1N只发射M只接收天线的M[MO系统在MIMO系统中收发天线之间形成MxN信道矩阵H，在某一时刻t，信道矩阵为：日(f)=JIIIIh12h2Ih22h^fIh

2、

3、If2其中元素h。是第f个接收天线与第．，个发射天线间的增益。对于信道矩阵参数是相互独立的MIMO信道，假设发送端不知道信道信息，总的发送功率平均分配到发送天线上，则容量公式为【1-3】：归l092Idet(IM+昙删H)IOsit／s／Hz)(1-2)当发收天线的数目较多时，这时可以得到容量的近似表达式：c=min(M，忉·l0920+p)(bit／s

4、／Hz)(卜3)上式中C为仙农容量，p是接收天线的信噪比，上标H表示复共轭。从式(1．3)可以看出，信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说利用MIMO信道可以成倍地提高无线信道容量，即在不增加带宽和天线发送功率的情况下频谱利用率可以成倍地提高。MIMO技术实质是为系统提供空间复用增益和天线分集增益。空间复用技术可以大大提高信道容量，而天线分集则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率，提升通信质量。研究证明，MIMO技术非常适用于城市内复杂无线信号传播环境下的无线宽带通信系统使用，在室内传播环境下的频谱效率可以达到20．40bit／s／Hz；而使用传Ⅳ‰‰；‰一～；～第一章引言统

5、无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为1-5bit／s／Hz，在点到点的固定微波系统中也只有10-12bit／s／Hzt4J。MIMO技术作为提高数据传输速率的重要手段得到人们越来越多的关注，被认为是新一代无线通信技术的革命。1．2MIMO系统中多天线的设计要求发射与接收多天线系统是MIMO无线系统的重要组成部分，其性能直接影响MIMO信道的性能。对于图1．1所示的MIMO系统，在信道传输矩阵的参数相互独立的条件下系统容量与天线数量成线性关系，那么当参数不是完全相互独立时，系统的容量将受到影响，即各天线单元接收的信号的独立程度(相关系数)将严重影响MIMO系统的性能is]。各天线单元

6、接收的信号的独立程度与信号载波的散射传播特性和多天线特性密切相关。所以MIMO无线系统的高性能除了依赖于多径传播的丰富程度外，还依赖于多天线的合理设计，多天线的设计是MIMO系统的重难点之一。如前面所述MIMO技术本质是空间复用和天线分集的结合，空间复用和天线分集要求信号要具有低的相关系数。信号的相关系数不仅与多径的丰富程度有关，同时也要受多天线特性的影响。根据MIMO技术的特点可以归纳多天线设计的基I．本要求如下：1．要能充分利用多天线系统所处的空间、角度和极化等资源来降低多天线间信号的相关性，所以需要根据MIMO系统采用的分集技术来设计满足各种分集要求的天线。2．提高天线的增益，

7、改善系统的信噪比和抗干扰的能力。3．天线小型化。尤其是在移动终端的应用，低轮廓，轻重量，小体积是最基本的要求。4．天线的宽带化。天线小型化后往往要导致其阻抗带宽的降低，为了满足无线通信频段的要求，在小型化的技术上需要将天线宽带化。5．天线间要具有大的隔离度，以降低天线互偶引入信号的相关系数，在天线的布阵中要充分考虑好天线的位置和状态，以满足高隔离度的要求。1．3⋯M0天线的设计状况就目前所收集的资料来看，对于MIMO多天线的设计，国外很多研究人员对。3电子科技入学硕十学位论文此作出了大量的研究，也提出了不少成功的模型。近年国内学者对于MIMO多天线的设计进行了很多研究，发表了一批关于

8、多天线设计的优秀毕业论文⋯01，提出了一些创意性的天线设计。针对天线的宽频段技术，有人提出了一种宽带振子天线，该天线随着离馈电点的距离的增加，振子的直径相应的加粗，即展开成结构渐变的螺旋的对称双锥天线，使振子沿线各点的特性阻抗处处相等⋯】。Agrawa11NP和KumarG提出了一种balun结构的平面天线，该天线可以克服平面天线的带宽窄的缺点，具有良好的全向性，具有与偶极子天线相同的方向图即在H面方向为准全向方向图，实现驻波比小于2的相对带宽为40％的带宽内【I21。针对于定向性天线单元，有人提出一种带有balun结构的印刷偶极子天线，该种天线具有单向辐射特性，该天线的E面和H面半

9、功率波瓣宽度分别为56。和105。。也有人提出一种带有v型地面反射结构的用balun结构馈电的印刷偶极子天线，该天线比普通的印刷偶极子天线具有更宽的工作频带和更强的方向性，其阻抗带宽超过了330MHz，增益提高约2dB，后向辐射抑制比超过7dB，方向图在整个工作频带内也保持了很好的一致性[I31。针对分集天线，有文献提出了一种移动台适用的平而型紧凑极化分集天线，该天线由两个十字交叉的微带分支提供极化分集，每一分支都有单独馈电系统．并，荔荔l-，mr丌j量露