2g、3g及tdlte网络多天线兼容设计
如今，蜂窝式移动通信从第二代迈入第三代，并向第四代通信发展。因为蓝牙、GPS和WLAN等功能增多，用户对平滑型外观的青睐，手机等移动终端的天线逐渐从外置转变为内置，天线的网络覆盖就有了更高的要求，天线设计就需要小型化、高增益。当前的4G时代，我国的VoLTE技术不太成熟，LTE网络只能够提供数据服务，不可以承载语音通话，2G和3G仍然需要长时间与4G共存。然而，不同的通信网络频段的天线之间存在干扰，2G、3G及TD-LTE网络多天线兼容设计就显得意义非凡。本文研究的课题为2G、3G及TD-LTE网络多天线兼容的设计，论文介绍和分析了天线的基本概念和相关性能参数，重点对2G、3G及TD-LTE网络多天线兼容进行设计，利用HFSS仿真软件进行研究。关键词 天线，设计，研究，HFSS
目 录
1 绪论 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
2 天线的基本介绍及各项参数 2
2.1 天线的介绍 3
2.2 天线辐射原理 3
2.3 天线的各项参数 3
2.3.1 回波损耗 3
2.3.2 驻波比 3
2.3.3 耦合度 4
2.3.4 方向图 4
2.3.5 方向性系数 5
2.3.6 工作带宽 5
2.3.7 效率 6
3 天线的设计 6
3.1 确定印刷偶极子天线的结构 6
3.2 设计TDLTE网络的天线 7
3.2.1 选择天线的初始尺寸 7
3.2.2 天线在HFSS软件仿真 8
3.3 设计2G、3G网络的天线 9
3.3.1 选择天线的尺寸 9
3.3.2 天线仿真 10
4 设计2G、3G及TDLTE网络多天线兼容 11
4.1 两种设计方案 11
4.1.1 改变天线间的距离进行优化 11
4.1.2 变换天线的相对位置 14
4.2 最优设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
计方案 17
结论 18
致谢 20
参考文献21
1 绪论
1．1 研究的背景与意义
近些年来，移动通信从早期的数字机GSM/CDMA（2G）发展到现在的3G，并逐步地向第四代通信过渡，接入网技术也出现了WiMax、WLAN等通信系统来满足不同的用户的接入需求，各种各样的无线通信设备早已经在我们的生活和工作中变得很常见了。
对于我国的移动通信系统来说，各大运营商的天线覆盖的频段越来越多了。2G/3G常用的频段有：GSM900（880MHz960MHz），CDMA（825MHz880MHz）、TDSCDMA（1880MHz2025MHz）等等。然而，随着4G通信的进一步发展，天线还需要覆盖TDLTE（1880MHz2655MHz）。天线是手机终端中十分重要的组成部分之一，它的性能好坏必定会对无线传输的整体性能产生影响。如今，手机的功能越来越多，比如蓝牙、WLAN和GPS定位等等，用户对于手机的平滑型外观越来越青睐，内置天线在手机等移动终端中逐渐替代了外置天线，对天线的网络覆盖及小型化也有了更高的要求[1]。
在2G/3G的时代，移动核心网为两个独立的域，和控制语音相关的是电路域（CS域：Circuit Switch），和控制数据业务有关的是分组域（PS域：Packet Switch）。同样的，和语音相关的控制都放置在了电路域，例如语音呼叫建立、返回振铃、判断并且执行呼叫转移，还有之前的杀手锏业务短信等。而与数据相关的控制放置在了分组域，例如与因特网服务器（因特网和通信网是两张不同的网）建立数据连接、区别你当前流量是微博还是微信等等。所以，在2G/3G的时代，数据业务和语音分别承载在了两个不同的核心网上。3G网络可以允许业务并发，也就是可以同时使用这两张网络，在打电话的时候可以下载数据。伴随数据业务的爆发和网络的全IP化，LTE网络不能够提供电路域，只能保留一个唯一的分组域核心网（EPC：Evolved Packet Core）。LTE网络的最终目标是所有的服务（语音和数据），这个用来处理数据业务的核心网都可以承载。换句话说，LTE网络可以承载语音业务是在实现语音完全数据化（IP化）的基础上才能完成的，但是这个条件在中国目前并不具备[2]。因此，2G和3G仍然需要长时间与4G共存。
在现代，4G的存在，使得天线需要增加新的频段，这样2G、3G以及4G网络的多根天线在同一个有限空间中工作，因为系统的小型化或者设备的集成密度太高，使得天线与天线之间会产生非常强烈的电磁耦合，导致有一定程度的相互干扰，这个时候会大大的降低天线的工作效率，影响通信质量。因此，降低天线间的耦合度，系统中各个天线的合理优化布局是需要解决的问题。综上所述，对2G、3G及TDLTE网络多天线兼容进行设计和研究有着重要的理论意义和应用价值。
1．2 国内外研究现状
近年来，对于天线之间的耦合现象，很多学者从不同方面进行了研究。为了减少天线的耦合，他们提出了一些相关的解决方法。由电磁理论知识可以知道，天线之间的耦合大约可以分为表面波耦合、远场耦合和近场耦合这三种[34]。表面波耦合较为常见。为了去掉天线间表面波的耦合，有学者提出了将天线下面的介质去掉一部分或者减小介质板介电常数等方法，这能做成DSG（defected groundstructur）结构，试验结果证明，当天线被架空或者介质板等效介电常数减小时，很好的抑制了表面波导致的耦合影响[56]。在一般情况下，这种抑制方案虽然可以用在两个工作频率不同的的天线之间，然而当考虑实际生产的时候，就会发现这种方法大程度的提高了生产工艺的难度，付出的成本也比较高。另外还有一种解决的方法叫等效滤波器法，指在多个天线之间加上悬浮俩，将短路钉加入地与贴片天线中间，或者运用一些能够引起谐振的材料加入天线之间。如果加入的材料配置合适，就会造成天线的工作频率与天线之间的互阻抗谐振，这样可以等效成一个滤波器，将天线间的耦合去掉。有学者成功的利用这种结构进行试验，对于PIFA天线和贴片天线可以取得很不错的效果[78]。虽然对于一部分类型的天线而言，这种结构去掉耦合是可行有效的，但是对于其他天线来说不是特别方便。在天线之间加入EBG（electromagnetic band gap）材料或者PBG（photonic bandgap）材料也是一种去耦合的方法，对于去耦合方面，这也可以取得很好的效果，设计这种结构常常比较复杂并且会占用较为大的体积，此外加入的材料在谐振频率处往往会引起额外的损耗[910]。另一些学者提出方案，把左手材料加在两根天线中间，这同样可以去掉天线之间的耦合[11]。但是左手材料制作较为困难，也没有适当的理论作为指导，而且制作出的成品占用体积比较大。为了研究降低各个天线之间的耦合度，还有学者提出了采用带双缝隙的接地导电平面来降低两个同时工作的偶极子天线间的电磁耦合[12]。虽然这种新方法抑制耦合效果较优，但是只是数值分析出的结果，实际效果还不清楚。
目 录
1 绪论 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
2 天线的基本介绍及各项参数 2
2.1 天线的介绍 3
2.2 天线辐射原理 3
2.3 天线的各项参数 3
2.3.1 回波损耗 3
2.3.2 驻波比 3
2.3.3 耦合度 4
2.3.4 方向图 4
2.3.5 方向性系数 5
2.3.6 工作带宽 5
2.3.7 效率 6
3 天线的设计 6
3.1 确定印刷偶极子天线的结构 6
3.2 设计TDLTE网络的天线 7
3.2.1 选择天线的初始尺寸 7
3.2.2 天线在HFSS软件仿真 8
3.3 设计2G、3G网络的天线 9
3.3.1 选择天线的尺寸 9
3.3.2 天线仿真 10
4 设计2G、3G及TDLTE网络多天线兼容 11
4.1 两种设计方案 11
4.1.1 改变天线间的距离进行优化 11
4.1.2 变换天线的相对位置 14
4.2 最优设 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
计方案 17
结论 18
致谢 20
参考文献21
1 绪论
1．1 研究的背景与意义
近些年来，移动通信从早期的数字机GSM/CDMA（2G）发展到现在的3G，并逐步地向第四代通信过渡，接入网技术也出现了WiMax、WLAN等通信系统来满足不同的用户的接入需求，各种各样的无线通信设备早已经在我们的生活和工作中变得很常见了。
对于我国的移动通信系统来说，各大运营商的天线覆盖的频段越来越多了。2G/3G常用的频段有：GSM900（880MHz960MHz），CDMA（825MHz880MHz）、TDSCDMA（1880MHz2025MHz）等等。然而，随着4G通信的进一步发展，天线还需要覆盖TDLTE（1880MHz2655MHz）。天线是手机终端中十分重要的组成部分之一，它的性能好坏必定会对无线传输的整体性能产生影响。如今，手机的功能越来越多，比如蓝牙、WLAN和GPS定位等等，用户对于手机的平滑型外观越来越青睐，内置天线在手机等移动终端中逐渐替代了外置天线，对天线的网络覆盖及小型化也有了更高的要求[1]。
在2G/3G的时代，移动核心网为两个独立的域，和控制语音相关的是电路域（CS域：Circuit Switch），和控制数据业务有关的是分组域（PS域：Packet Switch）。同样的，和语音相关的控制都放置在了电路域，例如语音呼叫建立、返回振铃、判断并且执行呼叫转移，还有之前的杀手锏业务短信等。而与数据相关的控制放置在了分组域，例如与因特网服务器（因特网和通信网是两张不同的网）建立数据连接、区别你当前流量是微博还是微信等等。所以，在2G/3G的时代，数据业务和语音分别承载在了两个不同的核心网上。3G网络可以允许业务并发，也就是可以同时使用这两张网络，在打电话的时候可以下载数据。伴随数据业务的爆发和网络的全IP化，LTE网络不能够提供电路域，只能保留一个唯一的分组域核心网（EPC：Evolved Packet Core）。LTE网络的最终目标是所有的服务（语音和数据），这个用来处理数据业务的核心网都可以承载。换句话说，LTE网络可以承载语音业务是在实现语音完全数据化（IP化）的基础上才能完成的，但是这个条件在中国目前并不具备[2]。因此，2G和3G仍然需要长时间与4G共存。
在现代，4G的存在，使得天线需要增加新的频段，这样2G、3G以及4G网络的多根天线在同一个有限空间中工作，因为系统的小型化或者设备的集成密度太高，使得天线与天线之间会产生非常强烈的电磁耦合，导致有一定程度的相互干扰，这个时候会大大的降低天线的工作效率，影响通信质量。因此，降低天线间的耦合度，系统中各个天线的合理优化布局是需要解决的问题。综上所述，对2G、3G及TDLTE网络多天线兼容进行设计和研究有着重要的理论意义和应用价值。
1．2 国内外研究现状
近年来，对于天线之间的耦合现象，很多学者从不同方面进行了研究。为了减少天线的耦合，他们提出了一些相关的解决方法。由电磁理论知识可以知道，天线之间的耦合大约可以分为表面波耦合、远场耦合和近场耦合这三种[34]。表面波耦合较为常见。为了去掉天线间表面波的耦合，有学者提出了将天线下面的介质去掉一部分或者减小介质板介电常数等方法，这能做成DSG（defected groundstructur）结构，试验结果证明，当天线被架空或者介质板等效介电常数减小时，很好的抑制了表面波导致的耦合影响[56]。在一般情况下，这种抑制方案虽然可以用在两个工作频率不同的的天线之间，然而当考虑实际生产的时候，就会发现这种方法大程度的提高了生产工艺的难度，付出的成本也比较高。另外还有一种解决的方法叫等效滤波器法，指在多个天线之间加上悬浮俩，将短路钉加入地与贴片天线中间，或者运用一些能够引起谐振的材料加入天线之间。如果加入的材料配置合适，就会造成天线的工作频率与天线之间的互阻抗谐振，这样可以等效成一个滤波器，将天线间的耦合去掉。有学者成功的利用这种结构进行试验，对于PIFA天线和贴片天线可以取得很不错的效果[78]。虽然对于一部分类型的天线而言，这种结构去掉耦合是可行有效的，但是对于其他天线来说不是特别方便。在天线之间加入EBG（electromagnetic band gap）材料或者PBG（photonic bandgap）材料也是一种去耦合的方法，对于去耦合方面，这也可以取得很好的效果，设计这种结构常常比较复杂并且会占用较为大的体积，此外加入的材料在谐振频率处往往会引起额外的损耗[910]。另一些学者提出方案，把左手材料加在两根天线中间，这同样可以去掉天线之间的耦合[11]。但是左手材料制作较为困难，也没有适当的理论作为指导，而且制作出的成品占用体积比较大。为了研究降低各个天线之间的耦合度，还有学者提出了采用带双缝隙的接地导电平面来降低两个同时工作的偶极子天线间的电磁耦合[12]。虽然这种新方法抑制耦合效果较优，但是只是数值分析出的结果，实际效果还不清楚。
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