MIMO天線基礎(chǔ)理論研究概述目錄TOC\o"1-3"\h\u18214MIMO天線基礎(chǔ)理論研究概述 1305201.1引言 114211.2天線主要參數(shù) 1246731.1.1輸入阻抗 1230681.1.2電壓駐波比、反射系數(shù)及阻抗帶寬 2151591.1.3輻射方向圖、方向性系數(shù)、增益、效率 397761.1.4互阻抗和互耦系數(shù) 51.1引言天線是無線通信系統(tǒng)的主要組成部分，天線的各個(gè)方面都能影響到整個(gè)天線系統(tǒng)。表示天線性能的指標(biāo)是天線的各類參數(shù)，包括參數(shù)的含義和公式等等。1.2天線主要參數(shù)衡量MIMO天線性能要考慮如下因素：Sparameter，AE，Radiationpattern，Gain，Correlationcoefficient等等。1.1.1輸入阻抗天線的輸入阻抗是指天線饋線與發(fā)射機(jī)相連接的端點(diǎn)處的電壓與電流的比值，不僅如此，輸入端的阻抗也和環(huán)境、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)，表示式（1.1）如下：Zin=U要使天線性能最佳需要使電抗分量盡可能達(dá)到零。影響天線輸入阻抗的因素我們可以通過各種辦法調(diào)節(jié)，使天線的輸入阻抗電抗分量盡量小，或者達(dá)到零，但是這在實(shí)際情況中不存在這種情況的。這時(shí)候我們需要選擇合適的饋線和阻抗匹配器，不然天線的傳輸功率的效率會(huì)大大降低。在本次是天線設(shè)計(jì)中我們選用50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗的饋線，50Ω阻抗的饋線是射頻微波頻段一般會(huì)選擇的饋線。1.1.2電壓駐波比、反射系數(shù)及阻抗帶寬（1）電壓駐波比當(dāng)天線饋線特性阻抗與輸入阻抗不同時(shí)，相鄰電壓的最大值與最小值之比為電壓駐波比。電壓駐波比是驗(yàn)證饋線傳輸效率的證據(jù)。電壓駐波比(VSWR)是符合和回波損耗的相似的量度。有一點(diǎn)不同的是電壓駐波比是線性標(biāo)量。所以和輸入端口的S11和輸出端口的S22的大小、電壓反射系數(shù)的大小有關(guān)。電壓駐波比表達(dá)式（1.2）如下：VSWR=Vmax（2）反射系數(shù)反射系數(shù)是反射電壓和入射電壓之比。反射系數(shù)Γ表示式（1.3）為：Γ=Zin（3）阻抗帶寬天線的帶寬本質(zhì)是一個(gè)頻率范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)，天線的電參數(shù)不會(huì)隨頻率的改變而變壞。一般用下面3種方法來歸類天線帶寬：絕對帶寬Ba,表示電參數(shù)在準(zhǔn)許頻率范圍內(nèi)最高頻率與最低頻率的差值，即公式（1.4）：Ba=f一般用絕對帶寬表示天線的實(shí)際工作頻率。相對帶寬Br,代表絕對帶寬Ba帶寬中心頻率fo的比值，即公式（1.5）：Br=比值帶寬，代表電參數(shù)在容許頻率范圍內(nèi)最高與最低頻率的比值。天線帶寬的另外一種表現(xiàn)方法是阻抗帶寬，表示天線的阻抗跟隨頻率變化特性，說明端口的匹配情況。1.1.3輻射方向圖、方向性系數(shù)、增益、效率（1）輻射方向圖輻射方向圖簡稱方向圖，又稱輻射波瓣圖、遠(yuǎn)場方向圖。它表示天線和其他信號(hào)產(chǎn)生的無線電波的強(qiáng)度大小和具體方向之間的關(guān)系，是反映特定方向的輻射強(qiáng)弱。輻射模式有不同的數(shù)據(jù)，模式的名稱也不同。輻射場強(qiáng)的模式稱為場強(qiáng)方向圖，輻射功率密度的模式稱為功率方向圖，用相位表示時(shí)稱為相位方向圖。圖1.1是三維方向圖。圖1.1三維方向圖圖1.2（a）是極坐標(biāo)場方向圖，(b)是極坐標(biāo)功率方向圖。圖1.2（c）是直角坐標(biāo)系方向圖。（a）極坐標(biāo)場方向圖（b）極坐標(biāo)功率方向圖（c）直角坐標(biāo)系方向圖圖1.2主平面方向圖（2）方向性系數(shù)天線的方向系數(shù)D是遠(yuǎn)區(qū)場的某一球面上天線的輻射功率密度與平均輻射強(qiáng)度的比值，即公式（1.6）：D(θ,φ)=Uθ,φU其中Uo公式（1.7）：U0=1（3）增益天線增益(Gain,G)是指天線在某個(gè)方向上對總射頻功率的有效利用程度，和方向性系數(shù)的條件相似，一般用遠(yuǎn)場區(qū)某點(diǎn)的功率密度與無方向性天線的功率密度的比值來表示。符合這種表示方法需要滿足兩個(gè)條件，一是采取同一點(diǎn)功率密度，二是兩副天線的輻射功率相同。天線增益G的計(jì)算公式為（1.8）：G=4πPin（4）效率效率是指有做功的能量與總的能量的比值。在任何的其他工作過程中，必然會(huì)產(chǎn)生一定損耗，輸入在任何環(huán)境都會(huì)被消耗多多少少，天線系統(tǒng)工作的過程也不例外，天線效率是一個(gè)由天線向外輻射的功率值與一開始輸入到天線的有功功率的比值，輸入天線的為總的功率，天線向外輻射的總功率的一部分，所以天線功率肯定是一個(gè)小于1的數(shù)值。天線效率表達(dá)式為（1.9），即：ηA=P1.1.4互阻抗和互耦系數(shù)在天線設(shè)計(jì)方面，多天線單元的天線自身單元之間會(huì)產(chǎn)生影響，當(dāng)這種影響導(dǎo)致電流變化。這時(shí)我們稱之為互耦，表征互耦程度的參數(shù)稱為互耦系數(shù)。在關(guān)于MIMO手機(jī)天線涉及到兩個(gè)或兩個(gè)以上的天線單元時(shí)，可以觀察仿真結(jié)果的散射參數(shù)S21或者S12來分析相互耦合的程度。因?yàn)楦浇h(huán)境會(huì)影響MIMO天線，隨意在MOMI系統(tǒng)中的參數(shù)描述單個(gè)天線的總體參數(shù)會(huì)有大大的不同之處。天線單元間有互耦的存在是改變的原因。天線陣列的特性決定于不同的耦合。圖1.3（a）所示的是天線單元間互耦模型，圖1.3（b）所示是第m個(gè)天線單元的等效模型。Zmg表示第m個(gè)端口等效的終端，Vmg表示第m個(gè)端口等效的電壓源。圖1.3（a）證實(shí)耦合來自三個(gè)地方：一是除自身以外的天線單元之間直接耦合，二是其他鄰近物體散射回來的間接耦合，三是公用地板或饋電網(wǎng)絡(luò)帶來的耦合。圖1.3（a）是天線單元間互耦模型，公式（1.10）用網(wǎng)絡(luò)電路分析方法表示：V1=ZZmn表示陣元n和陣元m兩個(gè)端口間的互阻抗。（a）天線單元間互耦模型（b）第m個(gè)天線單元的等效模型圖1