面向5G 的大规模天线无线传输理论与技术
摘要为了满足2020 年无线通信传输速率达到现有系统千倍的需求，研究学者
已开始了5G移动通信系统的研发，相比第四代(4G)，第五代(5G)移动通信需要在无
线传输技术上取得突破性创新,以实现频谱效率和功率效率提升10倍的目标. 其中,进一步挖掘多天线的空间复用能力是实现5G的关键途径，在接入点配置大
规模天线阵列或多个接入点通过光纤互连形成大规模分布式多输入多输出(multiple-inputmultiple-output,MIMO) 系统，可以大幅提高系统总的频谱效率。本文对大规模MIMO 和大规模分布式MIMO 的研究进行了综述，包括频谱效率理论分析、信道信息获取、传输理论与技术和资源分配技术。
关键词5G 大规模MIMO 大规模分布式天线系统频谱效率信道信息获取多用户
MIMO 资源分配
1 引言
近年来,移动数据业务量几乎呈指数增长,到2020 年将达到当前的千倍.同时, 随着信息技术系统能源消耗所占比例的不断增加,降低移动通信网络系统的能耗已逐
渐成为移动通信发展的重要目标.而目前的第四代移动通信系统(fourth-ge neratio n,4G),将难以满足未来移动通信对频谱效率和能耗效率的需求. 这对第五代移动通信系统(fifth-generation,5G)的频谱效率和能耗效率提出了极大
挑战.如何在4G 基础上,将无线移动通信的频谱效率和功率效率进一步提升一个量级，是5G的核心所在.5G的发展需要在网络系统结构、组网技术及无线传输技术等方面进行新的变革,从根本上解决移动通信的频谱有效性和功率有效性问题, 实现更高频谱效率和绿色无线通信的双重目标.采用多天线发送和多天线接收(multiple-inputmultiple-output,MIMO) 技术是挖掘无线空间维度资源、提高频谱
效率和功效率的基本途径,近20 年来一直是移动通信领域研究开发的主流技术之一.MIMO技术可以提供分集增益、复用增益和功率增益.分集增益可以提高系统的可靠性,复用增益可以支持单用户的空间复用和多用户的空分复用,而功率增益
可以通过波束成形提高系统的功率效率.目前,MIMO 技术已经被
LTE(longtermevolution,LTE),IEEE802.11ac 等无线通信标准所采纳.但是,现有4G 系统基站配置天线的数目较少,空间分辨率低,性能增益仍然有限.并且在现有系统配置下,逼近多用户MIMO 容量的传输方法复杂度仍然较高.
SI t （阿iS版憲图〕大规模的作无线ift怙
分布式天线系统是挖掘空间维度资源的另外一种途径[5].在分布式天线系统中，处于同地理位置的配备多天线的节点，通过高速回程链路连接到基带处理单元，进而在同一时频资源上协作完成与单个或多个移动通信终端的通信.分布式天线
系统中，多个节点与用户之间形成分布式MIMO信道，通过节点间的协作，形成协
作MIMO.协作MIMO不仅可以获得MIMO的3种增益,并且可以额外获得宏分集以及由于路径损耗降低而带来的功率增益[6 ￡].同样，受限于现有标准中节点
天线的配置个数协作MIMO的性能增益受到限制.
为了适应移动数据业务量密集化趋势，突破现有蜂窝系统的局限，研究者们提出在热点覆盖区域显著增加协作节点或小区的个数[9,10],或在各节点以大规模
阵列天线替代目前采用的多天线[4],由此形成大规模协作无线通信环境（如图1所示），从而深度挖掘利用无线空间维度资源，解决未来移动通信的频谱效率问题及功率效率问题.
大规模天线系统的基本特征是：在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线，较4G系统中的4（或8）根天线数增加一个量级以上.这些天线可分散在小区内（称为大规模分布式MIMO,即Large-scaleDistributedMIMO）,或以大规模天线阵列方式集中放置（称为大规模MIMO,即MassiveMIMO）,如图1所示.理论研究及初步性能评估结果表明[4,10],随着基站天线个数（或分布式节点总天线数目）趋于无穷大，多用户信道间将趋于正交.这种情况下,Gauss噪声以及互不相关的小区间干扰将趋于消失，而用户发送功率可以任意低.此时,单个用户的容量仅受限于其他小区中采用相同导频序列的用户的干扰.
大规模MIMO和大规模分布式MIMO的出发点是一致的，即通过显著增加基站侧配天线的个数，以深度挖掘无线空间维度资源，显著提升频谱效率和功率效率，因而它们所涉及的基本通信问题4中国科学：信息科学第46卷第1期也是一致的1）.节点个数、节点配备的天线数目以及空分用户数的大规模增加，使得从传统MIMO及协作MIMO到大规模天线系统的演变，是一个从量变到质变的过程.因此, 大规模天线系统的无线通信理论方法研究与传统MIMO系统也存在较大的差异.
这也为研究者们提出了新的更具挑战性的基础理论和关键技术问题，包括大规模天线系统的容量分析、信道信息获取、无线传输技术资源分配技术等.
本文给出了大规模天线系统中无线传输理论与技术方面的最新研究成果：首先介绍了非理想信道信息下大规模天线系统的频谱效率理论研究；然后介绍了大规模MIMO 的瓶颈技术,即信道信息获取技术,包括导频设计、信道参数估计、互易
性获取方法;接着介绍了大规模天线系统的传输技术,包括大规模天线系统的多用户预编码、大规模天线系统的接收机;最后介绍了大规模天线系统的资源分配
方法.
本文所使用的符号定义如下?矢量用粗体小写字母表示，x.矩阵用粗体大写字母表示,A」表示单位阵.［A］ij表示矩阵A第i行第j列元素.(?)?,( ? )T和(? )H分别表示矩阵的共轭、转置和共轭转置.?表示Kronecker乘积.Tr(A)和det(A)分别表
示矩阵的迹和行列式.diag(x)表示将向量x转化为对角矩阵，diag［A1 ? -An］表示生成对角块矩阵.
2大规模天线系统的频谱效率理论
信道容量分析是系统设计和性能评估的基础.随着MIMO多天线技术的提出，许多研究学者重新发展了随机矩阵理论,包括Wishart 矩阵及其特征值的统计特性［11］、大维随机矩阵的渐近统计特性［1 1 ］ ,自由概率理论［12］以及确定性等同方法［13］.利用这些数学工具,研究学者对不同MIMO 信道环境(包括多用户MIMO, 分布式多用户MIMO) 的信道容量进行了大量的研究.在理想信道信息下,这些方法同样适用于大规模天线系统的容量分析，然而,大规模天线系统也为研究者们
提出了新的更具挑战性的理论问题。
首先,多用户大规模天线系统中,随着用户数和天线数目(或协作节点个数)大
规模增加,信道信息的获取是系统实现的瓶颈.因此,必须研究导频资源受限下的
信息理论.文献［14］研究了大规模MIMO 的上、下行传输的频谱效率和能耗效率. 由于导频污染严重影响大规模MIMO 的性能,文献［14］还考虑了信道估计对系统频谱效率的影响.文献［15］给出了同时考虑信道估计、导频污染、路径损耗和天线相关时,采用不同接收机下大规模MIMO 的频谱效率,并揭示出每用户需要的基站天线个数与接收机技术之间的关系.
其次,大规模MIMO 为蜂窝移动通信提出了更具挑战的问题,即多小区多用户蜂窝移动通信系统容量的极限问题.系统级的容量是在多小区多用户容量分析的基础上,进一步考虑基站节点分布和用户分布,对整个蜂窝系统的容量评估,它对蜂窝系统的设计具有重要的指导意义.
下面我们以多小区多用户分布式天线系统为例(大规模MIMO 是其特例),考虑导频复用,对非理想信道信息下系统进行建模,然后给出了系统的渐近容量的闭合表达式.考虑非理想信道信息时,系统级频谱效率分析的结果还很少见,我们给出了一些可以进一步深入研究的方向.
3大规模天线系统的信道信息获取
在大规模天线系统中,随着基站天线个数的增加以及空分用户数的增加,信道信息获取成为系统实现的瓶颈.对于上行链路,采用正交导频时,导频开销随着参与空分传输的用户总天线个数线性增加.同时,对于下行链路,导频开销随基站侧天线总数线性增加.发送端已知下行链路信道信息是实现下行多用户预编码,多天线空分复用的必要手段.当基站侧天线数目远远大于用户总天线个数时,下行链路信道信息的获取成为大规模天线系统的瓶颈.对于时分双工
(timedivisionduplex,TDD) 系统,利用空中信道的上下行互易性,在相干时间内基站可以利用上行信道估计信息来进行下行预编码的设计,进而减少下行导频以及用
户端信道状态信息(cha nn elstatei nformatio n,CSI)反馈的开销.而对于频分双工
(frequencydivisionduplex,FDD)系统，缺乏上下行信道互易性，是应用大规模天线的主要障碍.
总的来说,大规模天线系统的信道信息获取面临如下问题.导频开销仍然随用
户总天线个数线性增加,如何降低导频开销,有效利用导频资源,提高信道信息获取的精度,需要深入研究,这包括导频信号的设计、导频复用方法和先进的信道估计方法.另外,对于TDD 系统,虽然空中信道满足上下行互易性,但是考虑到射频电路等影响,上下行整体信道是不互易的.因此,互易性校准对TDD 大规模天线系统的实现至关重要.
3.1 导频设计
参考信号设计一直是移动通信系统设计的一项关键技术,它直接影响系统的传输效率和可靠性.目前4G 系统的实现中可将参考信号按照功能分为用于获取信道质量的参考信号(CSIrefere ncesig nal,CSI-RS)和用于解调数据的参考信号(demodulationRS,DM-RS).CSI-RS 通常采用全向发送,在时频域较稀疏,占用的资
源较少,它可以用于信道质量测试,信道统计信息获取等功能.而DM-RS 主要用于解调数据,为了降低开销,它通常采用预编码导频
导频设计时通常分为正交导频和非正交导频. 正交导频分为时分正交(TDM)、频分正交(FDM)和码分正交(CDM)导频以及TDM或FDM与CDM的混合使用.这些技术已经被4G 标准所采纳,其优点是干扰小,缺点是开销大.特别地, 在多小区大规模天线系统中，随着用户及天线数增加，无论是CSI-RS还是.DM-RS, 开销大大增加.如何设计导频信号并降低导频开销是我们面临的一个严峻的问题. 为了降低多小区大规模天线系统的导频开销,研究学者们提出了非正交导频设计, 主要包括两种,一种是将导频叠加在数据上,另一种是导频复用,前者会产生导频和数据间的干扰,而后者会产生严重的导频污染现象.
文献［30］提出将多小区上行导频在时间上错开(time-shifted),利用干扰抵消去除导频与数据之间的相互干扰.文献［30］的结果表明,当基站侧天线个数趋于无穷大时,时间偏移导频方案可以降低导频污染.但是,当空分用户数目较大时,采用时间偏移导频的系统,基站需要增加更多的天线,以获取比同步导频更好的性能.文献［31］结合串行干扰抵消辅助的信道估计方法,提出一种半正交导频设计,该半正交导频设计允许基站已经获得相应信道估计值的用户同时传输上行链路数据,极大提高用于传输有效数据的资源,降低导频资源开销
导频复用是最早提出大规模MIMO 理论时所采用的方法［4］ .仅根据大尺度衰落信息，以最大化和速率为目标，文献［32］进一步提出了贪婪算法,Tabu搜索算法以及贪婪Tabu 搜索算法的导频分配方法.随着对大规模MIMO 信道研究的深入,研究学者发现当天线大规模增加时,信道在空间角度域具有稀疏性,而当带宽增加时在时延域具有稀疏性.利用大规模MIMO 信道稀疏性的特点,进行导频分配可以有效降低导频污染.在空间域,文献［33］证明,当复用相同导频的用户的信道到达角区间互不重叠时,信道估计的均方误差之和可以达到最小.因此,当信道角度域稀疏
时空间相关大规模MIMO信道下的导频复用是可行的.文献［32-34］分别提出了基于信道二阶统计信息的导频分配方法,保证使用相同导频的用户的信道相关矩阵
相互正交.在时延域,利用宽带MIMO 信道的稀疏特性,也可以进行导频污染抑制
在大规模分布式MIMO 中,信道在功率域具有稀疏性.当我们已知用户的地理位置,构建用户之间的干扰矩阵,对用户之间的导频干扰进行量化,给予干扰较大的用户较大的权重,使他们优先使用正交导频,从而大大降低导频干扰.从这点上看,导频分配与频率分配有相似之处.采用类似频率分配的方法,例如分数倍频率复用或先进的染色算法,对多小区、多用户分配导频,可降低分布式MIMO 系统中由导频复用引起的导频污染[37,38]
相比TDD, 采用FDD 的大规模MIMO 的信道信息获取更具挑战性.假设基站和用户采用共同的导频信号,文献[39]提出了开环和闭环训练架构.在开环模式中, 基站采用轮询的方式发送导频信号,这样接收机可以利用空间相关性、时间相关性以及之前的信道估计来估计出当前的信道.在闭环模式中,用户根据之前的接收信号选择最优的训练信号,并把训练序列的序号反馈给基站,基站根据反馈,来确定所要发送的导频信号.在文献[40]中,考虑反馈开销,提出了非相干的格栅编码量化，其复杂度随天线个数线性增加?在Gauss-Markov信道模型下,利用Kalman滤波算法以及大规模MIMO10 信道的时间和空间相关性,文献[41]提出了导频波束设计。
3.2 信道估计方法
大规模MIMO 信道的稀疏特性也利于采用先进的信号处理算法提高信道估计的精度.宽带大规模MIMO 的信道在角度域和时延域都存在稀疏性[42],可以采用参数化模型来对这种稀疏信道建模[43,44].对于这种参数化的稀疏信道,可采用参数化信道估计和压缩感知方法大幅提高信道估计的精度.子空间方法是估计参
数化信道的常用方法,文献[43,45]均通过到达角估计提升大规模MIMO 信道参数估计的精度.压缩感知方法是稀疏信道估计的另一种有效途径,它可以在保证较
小导频开销的情况下,获得较好的信道估计性能.常用的压缩感知算法包括正交匹配追踪和基于Bayes匹配追踪法■文献[46]提出了分布未知情况下的Bayes匹配追踪法,并将其应用于大规模MIMO 的信道估计[47].
利用盲信道估计方法也可以解决导频开销的问题，这在码分多址系统(code division multiple ac-cess, CDMA)中已经被充分地研究，这些方法同样适用于大规模M工M0系统.事
实上，有关导频污染的问题类似 CDMA 的信道估计 .针对 TDD 系统，文献 [48} 利用大规模 M 工MO信道的空间渐进正交性，提出一种基于特征值分解的盲信道估计算法，使用少量上行导频即可消除矩阵模糊度 .文献「49} 在此基础上提出不使用导频信号的子空间投影盲信道估计算法，进一步降低导频污染的影响 .但是，盲信道估计算法较高的复杂度，是实际系统实现时的主要障碍 .利用数据辅助的信道估计也是一种传统的提高信道估计精度的方法，结合迭代接收机，可以进一步提高大规模M工MO信道估计的精度[叫.但是，为了获得较好的估
计性能，数据辅助信道估计需要较长数据，其复杂度也随用户数目及数据长度的增加而大幅增加 .
利用时延域的稀疏性，文献「 35]提出了一种结合信道估计和导频分配的方法来克服导频污染，提高导频复用的性能 .其主要思想是，利用不同用户在时延域的正交特性，在不同的时隙，通过导频分配，将导频污染随机化，最后进行多径时延估计和多径分量提取，得到
延迟功率分布的估计 .在理想情况下，估计出的功率延迟分布可逼近无导频污染时的情况 .通过估计出的功率延迟分布，可进一步消除导频污染 .
对于FDD系统，通常需要反馈辅助来提高信道估计的精度 .文献「51}将分布式压缩感知技术应用于CSI获取，其优点是，压缩测量在用户端，而信道信息的恢复由基站侧联合实现. 该方法可降低训练和反馈开销，且性能优于传统方法 .文献「 52｝针对信道的空间稀疏性和慢变特性，
《天线理论与设计》研究生课程教学大纲 课程类别：专业基础课课程名称：天线理论与设计 开课单位：信息与通信工程学院课程编号： 总学时：20 学分：1 适用专业：电子与通信工程 先修课程：大学物理、矢量分析与场论、电磁场与电磁波 一、课程在教学计划中地位、作用 天线理论与设计主要研究无线电波传播的辐射与接收，从理论上阐述天线的基本原理，天线的类型与应用范围，常用天线的形式，结构，性能，以及测试与设计方法，通过本课程的学习和实践，使学生能够比较系统和全面地掌握天线理论与设计的基本概念、原理和主要先进而实用的技术，了解天线理论与设计的技术特点、发展和实际应用情况，具备一定的天线理论与设计理论基础。为今后从事天线理论与设计打下基础。 二、课程内容、基本要求 第1章天线基础知识 1．了解天线在无线系统中的作用、天线的分类 2．掌握电流元、磁流元的辐射 3．掌握发射天线的电参数、互易定理与接收天线的电参数，理解各项参数的基本概念 4．掌握对称振子的基本特点、理解天线阵的方向性、对称振子阵的阻抗特性，学会天线阵的参数分析方法 5．了解无限大理想导电反射面对天线电性能的影响 第2章简单线天线 1．理解水平对称天线的方向性、输入阻抗、方向系数、尺寸选择，掌握常用水平对称天线的设计方法 2．掌握不同直立天线的基本特点与设计方法 3．理解环形天线的基本特性与设计方法 4．理解引向天线与背射天线的工作特点 第3章行波天线 1．理解行波单天线及菱形天线的工作原理与应用场合，掌握此类天线的参数分析方法 2．理解螺旋天线的工作原理与应用场合，掌握螺旋天线的参数分析方法
第4章非变频天线 1．掌握非变频天线的基本概念 2．理解阿基米德螺旋天线的工作原理与设计方法 3．理解对数周期天线的工作原理与设计方法 第5章缝隙天线与微带天线 1．理解缝隙天线、缝隙天线阵的工作原理与设计方法 2．理解矩阵微带天线、双频微带天线的工作原理与设计方法 第6章面天线 1．理解等效原理与惠更斯元的辐射 2．掌握平面口径的辐射一般计算公式、同相平面口径的辐射、同相平面口径方向图参数、相位偏移对口径辐射场的影响 3．理解矩形喇叭天线的口径场与方向图 4．理解圆锥喇叭、馈源喇叭、旋转抛物面天线几何特性与工作原理以及抛物面天线的方向系数和增益系数，掌握此类天线的分析设计方法 5．掌握卡塞格伦天线的工作原理 6．理解喇叭抛物面天线 第7章智能天线 1．掌握智能天线的基本原理 2．了解自适应数字波束形成 3．理解多波束天线
基本电振子(赫兹偶极子) 电基本振子就是一段长度l远小于波长, 电流I等幅同相的直线电流元i(t)=I cosωt, 它就是线天线的基本组成部分, 任意线天线均可瞧成就是由一系列电基本振子构成的。 立体角: 定义:立体角就是以圆锥体的顶点为球心,半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的,度量单位称为“立体弧度”。与平面角的定义类似。在平面上我们定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作dθ=ds/r;所以整个圆周对应的圆心角就就是2π;与此类似,定义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此面微元对应的立体角记作dΩ=ds/r^2;由此可得,闭合球面的立体角都就是4π。 单位:steradian->sr=stereos+radian 球坐标系中计算:dΩ= ds /R2= ds=sin θ *d θ* dφ (sr) 辐射强度 定义:给定方向上单位立体角辐射的功率。 计算: 物理意义:反应在给定方向上辐射的大小 辐射功率: 定义: 辐射效率 定义:天线的输入功率仅有一部分转换为辐射功率,其余被天线及其附近结构所吸收。辐射效率定义为天线的辐射功率与净输入功率之比。 其中:为辐射电阻,为损耗电阻。 场强方向图: 定义:在固定距离r=r0的球面上,辐射电场强度随着角坐标的相对变化(函数)图形为场强方向图。方向图函数 作图二维平面图:○1极坐标图○2直角坐标图 功率方向图: 在固定距离r=r0的球面上,波印廷矢量的r分量随着角坐标的相对变化(函数关系)图形为功率方向图。方向图函数记为 按方向图特征的天线分类 各向同性天线:天线向各个方向均匀辐射。 方向性天线:天线在某些方向的辐射比其她方向的辐射强得多 全向天线:天线在某个平面内的辐射为无方向性,在其正交面具有方向性 波瓣: 半功率波瓣宽度:
天线理论与技术课程设计报告 课程名称 均匀直线阵 专 业 通信工程 班 级 班 学 号 姓 名 指导教师 2015年5月8日
一、实验目的： 1. 了解阵列天线的波束形成原理写出方向图函数 2. 运用MATLAB仿真阵列天线的方向图曲线 3. 变换各参量观察曲线变化并分析参量间的关系 二、实验环境： MATLAB8.0，WIN8.1系统 三、实验原理： 单个天线的方向性是有限的，为了加强天线的定向辐射能力，可以采用天线阵(Arrays)。天线阵就是将若干个单元天线按一定方式排列而成的天线系统。排列方式可以是直线阵、平面阵和立体阵。实际的天线阵多用相似元组成。所谓相似元，是指各阵元的类型、尺寸相同，架设方位相同。天线阵的辐射场是各单元天线辐射场的矢量和。只要调整好各单元天线辐射场之间的相位差，就可以得到所需要的、更强的方向性。 1. 阵列天线：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并 通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵各单元辐射场的总和—矢量和由于各单元的位置和馈电电流的振幅和相位均可以独立调整，这就使阵列天线具有各种不同的功能，这些功能是单个天线无法实现的。 2. 方向图乘积原理：天线阵的合成方向图等于单元天线方向图与阵列因 子的乘积。 方向图乘积定理
f(θ,φ)=f1(θ,φ)×fa(θ,φ) （3-1） 上式表明，天线阵的方向函数可以由两项相乘而得。第一项f1(θ,φ)称为 元因子（Primary Pattern ），它与单元天线的结构及架设方位有关；第二项fa(θ,φ)称为阵因子（Array Pattern ），取决于天线之间的电流比以及相对位置，与单元天线无关。方向函数（或方向图）等于单元天线的方向函数（或方向图）与阵因子（或方向图）的乘积，这就是方向图乘积定理。 已知对称振子以波腹电流归算的方向函数为： ()cos(cos )cos()()60/sin m E kl kl f I r θθθθθ -== （3-2） 将l=0.25λ代入式上式可得半波振子的方向函数为： cos(cos )2()sin F π θθθ = （3-3） 如果均匀直线阵的单元天线为半波阵子的话，此即为元因子。 3. 均匀直线阵,就是所有单元天线结构相同，并且等间距、等幅激励而相 位沿阵轴线呈依次等量递增或递减的直线阵。如下图所示,N 个天线元沿y 轴排列成一行，且相邻阵元之间的距离相等都为d ，电流激励为I n =I n-1e j ξ(n=2,3, :,N)，根据方向图乘积定理，均匀直线阵的方向函数等于单元天线的方向函数与直线阵阵因子的乘积。 在实际应用中，不仅要让单元天线的最大辐射方向尽量与阵因子一致， 而且单元天线多采用弱方向性天线，所以均匀直线阵的方向性调控主要通过调控阵因子来实现。因此本实验讨论主要针对阵因子，至于均匀直线天线阵的总方向图只要将阵因子再乘以单元天线的方向图就可以得到了。 图4-1 均匀直线阵坐标图
天线理论和技术答案 【篇一：《天线和电波传播理论》试卷及答案】 (1) 103.8 khz= hz=mhz； (2) 0.725 mhz= hz=khz．。 3、半波振子的方向函数为，方向系数为。 4、maxwell提出的电 流的概念，使在任何状态下的电流都可保持连续，并且指明电流和 电流是产生涡旋磁场的源。 5、坡印廷矢量的大小代表，其单位为，其方向代表，瞬时坡印廷 矢量的表达式为 。 6、任一线极化波都可分解为两个振幅、旋向的圆极化波，任一圆 极化波都可分解为两个振幅、相互且相位的线极化波。 二、单项选择题：（每小题2分，共20分） 1. 我国的卫星通信技术拥有自主知识产权，在世界处于领先地位.在 北京发射的信号通过通信卫星会转到上海被接收.实现这种信号传递 的是( ) a.超声波 b.次声波 c.声波 d.电磁波 2. 关于电磁波的传播，以下说 法正确的是（） a．只能在真空中传播 b．在水中不能传播 c．可以在很多介质中传 播 d．只能在空气中传播 3．微波炉中不能使用金属容器，这主要 是因为（） a．金属易生锈，弄脏炉体 b．金属容易导电，造成漏 电事故 c．微波能在金属中产生强大的电流，损坏微波炉d．金属易传热，使炉体温度过高 4．下列说法正确的有（）
a．频率越低的电磁波的波长越短b．频率越高的电磁波传播速度越快 c．频率越低的电磁波传播速度越快 d．频率越高的电磁波的波长越短 5. 在2003年4月的伊拉克战争中，美英联军在战争中使用电子干扰取得了很好的效果，争取到了战争的主动权，电子干扰具体地说就是（） a．对敌方发射电磁波 b．对敌方发射很强的电磁波c．对敌方发射频率很高的电磁波 d．对敌方发射和敌方电子设备工作频率相同的电磁波，施放反射电磁波的干扰波 6. 对极化强度为的电介质，束缚体电荷密度为＿＿＿＿＿ a. b. c. d. 7. 是 a. 左旋圆极化 b. 左旋椭圆极化 c. 右旋圆极化 d. 右旋椭圆极化 8. 在两种不同介质（）的分界面上，电场强度的切向分 量 a. 总是连续的 b.总是不连续的 c. 可能连续也可能不连续 d. ， 时连续 第 1 页共 3 页 9. a. c. 入射方向矢量为 b.d.
天线理论学习总结 (3) 1天线基础理论 (3) 1.1 天线的定义和分类 (3) 1.2 天线的辐射场计算 (3) 1.2.1 辅助位函数法 (3) 1.2.2 电偶极子的场 (6) 1.3天线的基本参数 (9) 1.3.1 辐射方向图 (9) 1.3.2波束宽度和副瓣电平 (11) 1.3.3 波束范围或波束立体角 (11) 1.3.4 辐射强度 (13) 1.3.5 波束效率 (13) 1.3.6 方向性系数D与天线分辨率 (13) 1.3.8 辐射功率和辐射阻抗 (15) 1.3.9 输入阻抗 (17) 1.3.10 天线的效率和增益 (18) 1.3.11 有效面积（有效口径）和口径效率 (18) 1.3.12 天线极化 (19) 1.3.13 天线的带宽 (22) 1.3.14 天线驻波比、反射系数和回波损耗 (23) 2 喇叭天线基础理论 (25) 2.1 喇叭天线的结构特点与分类 (25) 2.2 喇叭天线的口径场和辐射场分布与方向性 (29) 2.2.1矩形喇叭天线口面场分布规律 (29) 2.2.1.1 矩形喇叭天线的口面场结构 (29) 2.2.1.2 矩形喇叭天线口面场相位分布特点 (31) 2.2.1.3 矩形喇叭天线口面场振幅分布 (33) 2.2.2 喇叭天线辐射场的方向性与最佳喇叭 (35) 2.3 喇叭天线的参数选择 (39) 3 抛物面天线基础理论 (40) 3.1 抛物面天线的结构特点与工作原理 (40) 3.1.1 结构特点和要求 (40) 3.1.2 抛物面的几何尺寸及特性 (41)
3.1.3 抛物面天线的工作原理 (42) 3.2 抛物面天线的口径场和辐射场分布与方向性 (43) 3.2.1 口径场分布 (43) 3.2.2 抛物面天线辐射场的方向性 (44) 3.3 抛物面天线的技术要求 (45) 3.3.1 对照射器的要求 (45) 3.3.2 照射器对反射面的影响 (47) 3.3.3 反射面对照射器的影响 (49) 3.3.4 反射面技术公差对辐射场的影响 (52) 3.4 抛物面天线的参数选择 (53) 参考文献 (53)
环测威官网：https://www.doczj.com/doc/8613368247.html,/ 接收天线以无线电，电视或无线电话信号的形式捕获电磁辐射。在距接收天线一定距离处- 例如无线电台或电视台- 原始声音和/或图像被转换成电信号并通过发射天线发出。这与接收天线相反，尽管两者可能看起来相同。 根据您发送或接收的信号频率以及发射和接收天线的方向，高度和功率等因素，需要调整天线的尺寸，形状和设计以获得最佳性能。对于这种现象的简单示例，可以考虑典型AM / FM 无线电使用的两种不同天线。 对于88至108 MHz频率范围内的FM广播接收，大多数无线电都配备了一个外部安装的伸缩杆天线，可以旋转以最好地捕获FM电台。 然而，用于在540kHz至1.705MHz频率范围内进行AM广播接收的天线通常是位于内部的铁氧体棒，其上缠绕有细线。 基本思想是天线的设计受其意图接收的信号的影响。
环测威官网：https://www.doczj.com/doc/8613368247.html,/ 常见的天线理论 为了更好地理解天线设计，了解以下常见的天线属性和理论是有帮助的。 ?方向性：天线设计中需要考虑的基本属性是天线的方向性- 或测量其辐射方向的指向。理论上，全向天线具有零方向性，而发送或接收在一个方向上聚焦的信号的天线将具有更高的方向性。 ?通常，像偶极天线这样的较小的电天线具有较低的方向性。对于具有高方向性的天线，可以考虑那些尺寸为几个波长的天线，如卫星或喇叭天线。 ?3DBF：三维波束成形- 或3DBF - 是一种在发送或接收信号时考虑仰角和方位角以确保最佳到达角度的方法。在动态3DBF中，广播信号天线自动倾斜到预期用户的位置。 ?天线增益：天线增益表示天线在假设相同情况下与理想天线相比在特定方向上发送或接收的信号强度。对于您知道信号始发方向的电视天线，您需要一个高增益天线。 但是，对于可以连接到任意数量卫星的移动GPS天线，您需要一个增益相对较低的天线。
面向5G 的大规模天线无线传输理论与技术 摘要为了满足2020 年无线通信传输速率达到现有系统千倍的需求，研究学者 已开始了5G移动通信系统的研发，相比第四代(4G)，第五代(5G)移动通信需要在无 线传输技术上取得突破性创新,以实现频谱效率和功率效率提升10倍的目标. 其中,进一步挖掘多天线的空间复用能力是实现5G的关键途径，在接入点配置大 规模天线阵列或多个接入点通过光纤互连形成大规模分布式多输入多输出(multiple-inputmultiple-output,MIMO) 系统，可以大幅提高系统总的频谱效率。本文对大规模MIMO 和大规模分布式MIMO 的研究进行了综述，包括频谱效率理论分析、信道信息获取、传输理论与技术和资源分配技术。 关键词5G 大规模MIMO 大规模分布式天线系统频谱效率信道信息获取多用户 MIMO 资源分配 1 引言 近年来,移动数据业务量几乎呈指数增长,到2020 年将达到当前的千倍.同时, 随着信息技术系统能源消耗所占比例的不断增加,降低移动通信网络系统的能耗已逐 渐成为移动通信发展的重要目标.而目前的第四代移动通信系统(fourth-ge neratio n,4G),将难以满足未来移动通信对频谱效率和能耗效率的需求. 这对第五代移动通信系统(fifth-generation,5G)的频谱效率和能耗效率提出了极大 挑战.如何在4G 基础上,将无线移动通信的频谱效率和功率效率进一步提升一个量级，是5G的核心所在.5G的发展需要在网络系统结构、组网技术及无线传输技术等方面进行新的变革,从根本上解决移动通信的频谱有效性和功率有效性问题, 实现更高频谱效率和绿色无线通信的双重目标.采用多天线发送和多天线接收(multiple-inputmultiple-output,MIMO) 技术是挖掘无线空间维度资源、提高频谱 效率和功效率的基本途径,近20 年来一直是移动通信领域研究开发的主流技术之一.MIMO技术可以提供分集增益、复用增益和功率增益.分集增益可以提高系统的可靠性,复用增益可以支持单用户的空间复用和多用户的空分复用,而功率增益 可以通过波束成形提高系统的功率效率.目前,MIMO 技术已经被 LTE(longtermevolution,LTE),IEEE802.11ac 等无线通信标准所采纳.但是,现有4G 系统基站配置天线的数目较少,空间分辨率低,性能增益仍然有限.并且在现有系统配置下,逼近多用户MIMO 容量的传输方法复杂度仍然较高.
复习题答案 一. 填空题 1. 0 [cos()cos()]x y E E e t z e t z ωβωβπ=-+--v v v 传播方向是 Z 方向，线 极化波； 2．自由空间平面波， 其电场强度 0cos()x E e E wt kz =-r r ， 其电场矢量的 方向为X_；平面波的传播方向为 Z_；平面波的传播速度为__v k φ ω=； 3. 研究一个矢量场，必须研究它的 散度 和 旋度 ，才能确定该矢量场的性质。 4．标量场的梯度是 保守、矢量 场，标量场梯度的方向与标量场的等位面 垂直 。 5. 真空中一半径为a 的圆球形空间内，分布有体密度为ρ的均匀电荷，圆球 内的电场强度0 3r r E e ρε=r r () r a <；圆球外的 电场强度2 E =v 32 03a r ρε() r e r a >v 。
6. 麦克斯韦方程组中的 D ρ ??=r 和 B E t ???=- ?r r 表明不仅_电荷_ 要产生电场， 而且随时间变化的_磁场 也要产生电场。 7. 直角坐标系中，哈密顿算符表达式x y z e e e x y z ????=++???r r r ，拉普拉斯算符表达式2222 222 x y z ????=++???；柱坐标系哈密顿算符表达式1r z e e e r r z φφ????= ++???r r r 。 8． 矢量 e A e A e A A z z y y x x ρ ρρ++= → ，其散度为 y x z A A A A x y z ?????=++???r ，其旋度为 x y z x y z e e e A x y z A A A ?????= ???r r r r 。 9.球坐标系中标量函数的梯度 (,,)sin x z e e r e e r r r φ θ ?? ??θφθθφ ????=++???r r r r 10. 标量场()222 ,,352x y z x y z ?=++，此标量 场的梯度为 6104x y z xe ye ze ??=++r r r 。此标量场梯 度的散度为20；此标量场梯度的旋度为 0.
第一章 1-1 试用对偶原理，由电基本振子场强式（1-5）和式（1-7），写出磁基本振 子的场表示式。 对偶原理的对应关系为： E e ——H m H e ——-E m J ——J m ρ——ρm μ——ε ε——μ 另外，由于ωεω=k ，所以有k ——k 式（1-5）为??? ? ? ?? ?????? ??+===-jkr r e jkr r Idl j H H H 11sin 200θλ?θ 式（1-7）为???? ?? ? ? ???=???? ??-+=???? ??+=--0111sin 211cos 22200002?θθεμλθεμπE e r k jkr r Idl j E e jkr r Idl E jkr jkr r 因此，式（1-5）的对偶式为???? ? ?? ?? ???? ??+=-=-=--jkr m r e jkr r dl I j E E E 11sin 200θλ?θ 式（1-7）的对偶式为???? ? ? ? ? ???=???? ??-+=???? ??+=--0111sin 211cos 22200002?θθμελθμεπH e r k jkr r dl I j H e jkr r dl I H jkr m jkr m r 结合I m dl =jωμ0IS 有磁基本振子的场表示式为：
??? ? ? ?? ?????? ??+===-jkr r e jkr r IS E E E 11sin 20 00θλωμ?θ ???? ? ? ? ? ???=???? ??-+-=???? ??+=--0111sin 211cos 2220000020?θθμελωμθμεπωμH e r k jkr r IS H e jkr r IS j H jkr jkr r 可以就此结束，也可以继续整理为 ??? ? ? ?? ????? ? ??+===-jkr r e jkr r IS E E E 11sin 00002θεμλπ?θ ???? ? ? ?? ???=??? ? ??-+-=??? ? ??+=--0111sin 11cos 2222?θθλπθλH e r k jkr r IS H e jkr r IS j H jkr jkr r 1-3 若已知电基本振子辐射电场强度大小 θηλθsin 20r Il E = ，天线辐射功率可按 穿过以源为球心处于远区的封闭球面的功率密度的总和计算，即 s S d r P S ?=?∑),,(?θ， ?θθd d r ds sin 2 =为面积元。试计算该电基本振子的辐射功率和辐射电阻。 【解】首先求辐射功率