大天线

大规模天线对5G的意义及所面临的挑战作者：殷哲来源：《中国新通信》 2018年第15期【摘要】针对第5 代移动通信的关键技术- 大规模天线技术, 介绍了国内外、研究机构的研究现状。

总结了贝尔实验室、美国莱斯大学、大唐电信、华为、中兴、54 所等国内外多家单位的研究成果。

在此基础上, 分析了5G 大规模天线系统的发展趋势, 提出了有源集成化天线是5G 大规模天线系统的必然选择, 并分析了大规模有源集成化天线在第五代移动通信系统中遇到的挑战。

【关键词】 5G 技术信息传输速度发展意义挑战一、5G（Fifth Generation）技术发展的必要性5G（Fifth Generation）技术：全名为第五代移动通信系统，是以之前一代、二代、三代以及目前正在运行的四代为基础再发展的一个新的技术高峰。

五代与四代相比较，比较明显的区别就在与网络信息传输速度、频谱效率、空间容量以及连接情况这四个方面。

目前，使用者比较关注的就是5G 技术与4G 技术相比较，那个传输的速度更快。

5G 相比较4G，文件下载速度提升了大于10 倍的速度，峰值速率下，5G 网络速度是4G 的10-20 倍的速速。

二、5G 技术中高速率实现方式目前，对于5G 技术，人们比较关注如何保障5G 网络的高速率。

对此，以一定的理论知识为基础，主要有两种实现方式。

增加频谱宽度：通俗解释就是在修路中，路面宽度大了，通过的车辆就多了，水管的宽度增加了，流水量也就增加了。

但是，频谱宽度不是一个可以无限制是使用的资源，而是有限使用，主要有国际电信联盟无线通信委员会进行每个国家之间的一定的使用量的一个分配，在通过建立在国内的无线电管理部门进行国内的使用量分配，整个分配过程有着严格的要求严厉禁止移动通信、广播等一些可能会使用到无线的产生相互之间的干扰，所以，为了保障5G 的高速率，必须提高频谱宽度。

提高频谱效率：利用一些高质量的技术与方法来提高频谱的效率，本文没有重点进行相关讲解。

超大规模天线阵列的设计与优化在当今通信技术飞速发展的时代，超大规模天线阵列正逐渐成为提升通信系统性能的关键技术之一。

超大规模天线阵列通过集成大量的天线单元，能够实现更精确的波束控制、更高的频谱效率和更强的抗干扰能力，为 5G 乃至未来的 6G 通信提供了有力的支持。

本文将详细探讨超大规模天线阵列的设计与优化，包括其基本原理、面临的挑战以及解决方案。

一、超大规模天线阵列的基本原理超大规模天线阵列的核心原理是利用多个天线单元同时发送和接收信号，通过对每个天线单元的信号进行相位和幅度的调整，实现波束的合成和指向控制。

简单来说，就像是通过调整众多手电筒的光线角度和亮度，让它们汇聚成一束强光，并准确地照射到特定的方向。

在发送端，通过对不同天线单元的信号进行加权处理，可以形成具有特定方向和形状的波束，将信号能量集中传输到目标用户，从而提高信号的传输效率和覆盖范围。

在接收端，利用类似的原理，可以从多个方向接收信号，并通过信号处理算法将有用信号分离出来，抑制干扰和噪声。

二、超大规模天线阵列设计的关键因素1、天线单元的选择天线单元的性能直接影响整个阵列的性能。

常见的天线单元类型包括贴片天线、偶极子天线等。

在选择天线单元时，需要考虑其工作频段、带宽、增益、辐射方向图等特性，以满足系统的设计要求。

2、阵列拓扑结构阵列的拓扑结构决定了天线单元的布局方式。

常见的拓扑结构有线性阵列、平面阵列和立体阵列等。

不同的拓扑结构具有不同的波束形成能力和空间分辨率，需要根据具体的应用场景进行选择。

3、信号处理算法高效的信号处理算法是实现超大规模天线阵列性能优化的关键。

例如，波束形成算法用于控制波束的方向和形状，信道估计算法用于获取信道状态信息，预编码算法用于在发送端对信号进行预处理，以提高接收端的性能。

三、超大规模天线阵列设计面临的挑战1、硬件复杂度超大规模天线阵列包含大量的天线单元和射频链路，这导致硬件复杂度大幅增加。

如何实现小型化、低功耗、低成本的硬件设计是一个亟待解决的问题。

5G通信移动传输中的大规模天线技术分析摘要：移动数据活动的增长，即第四代移动通信系统4G，已经难以满足移动通信活动的增长需求，而5G作为下一代移动通信系统的基本目标是应对移动数据活动的增长，因为移动活动不同于移动活动，并从根本上解决了移动通信频谱和电源效率问题。

大规模天线技术是利用无线通信技术空间资源、提高频谱效率和能效的重要手段，近几十年来，大规模天线技术一直是移动通信领域研究的核心。

关键词：5G通信；移动传输；大规模天线技术引言我国移动数据业务量大幅度增加，4G已经不能满足移动通信发展需求，作为新一代的移动通信系统，5G有必要在无线传输技术等各个方面实施充分的变革，以能够从根源上优化移动通信频谱及功率有效性的相关问题，并且，大规模天线技术属于对无线传输技术进行应用的重要基础，也是促使频谱效率提升以及功率效率提升的重要前提，由此可见，针对面向5G的大规模天线无线传输技术进行分析具有重要意义。

1大规模天线概述大型MIMO天线的理论基础主要是以下两个方面。

(1)用户侧天线数目少于基站侧天线数目时，基站通过正交信道与用户建立连接。

(2)可消除用户干扰，通过增益大阵列提高用户的信噪比，使其能够在同一时域和频域内规划更多用户。

更具体地说，基站侧天线的相位一致性和信号计算处理的简化为大规模天线技术的应用奠定了基础。

与4g MIMO技术相比，5G大型MIMO技术可将通道容量增加10倍以上，同时将放射性能量增加约100倍。

由于向该系统应用了更多的网络天线，放射性能量在一致的波叠加作用下积聚在较小的区域，大大提高了放射性能量的效率。

通过信号的形成，波可以在前端叠加后辐射到指定的终端，随机辐射不会有问题[。

大规模MIMO具有较好的训练和定向能力，能有效提高系统容量，还能提高单元复盖能力和系统抗干扰能力。

大型MIMO基站中配置的天线数量是传统MIMO天线数量的10-100倍，基站天线数量远远高于基站服务用户设备数量。

环形大天线的原理和作用
环形大天线是一种无线电频率接收和传输设备，具有环形结构的天线。

其原理是通过电磁感应将无线电波转换为电信号或将电信号转换为无线电波。

环形大天线的作用有以下几个方面：
1. 信号接收：环形大天线可以接收来自周围环境中的无线电波，将其转换为电信号。

它的环形结构可以增加接收效果，提高接收灵敏度。

2. 信号传输：环形大天线可以通过传输电信号将信息传送到周围环境中。

它的环形结构可以扩大信号覆盖范围，增强信号传输能力。

3. 定向性：环形大天线可以通过不同的设计来实现不同的定向性。

根据需求可以设计成全向性天线，即可以在水平方向上接收或传输信号；也可以设计成定向性天线，即只在特定的方向上接收或传输信号。

4. 增益效应：环形大天线在传输信号时可以产生增益效应，即信号强度可以比无天线状态更强。

这在无线通信或广播应用中非常有用，可以提高信号传输质量和覆盖范围。

总之，环形大天线利用电磁感应原理将无线电波和电信号进行转换，并具有接收、传输、定向性和增益效应等多种作用。

大功率WiFi天线锤子一把钻头一把电烙铁和焊锡一小块铜片天线的类型基本上家用Wi-Fi信号增强天线共有两种类型,一种是普林格尔状天线,另一种是罐状天线.这两种天线都可以朝一个方向增大信号的强度,但是他们增大信号的原理则完全不同.在市场上所卖的信号增强天线大多数都是基于普林格尔状天线结构,它算是一种引向反射天线,它通常由多级天线组成.引向反射天线通常使用在频率单一的信号环境中.当信号在层叠的环状金属内不断的反射时就能增大信号的强度,并且信号反射的方向也将相当集中.普林格尔天线外形有点类似动画片里外星人的激光枪,它仅仅是在一根金属线上套上了几个反射信号的金属圆环.如图1,这就是一个普林格尔桶状天线的内部结构.主体部分就是中间的那根粗粗的天线,其他是遍布在天线上的金属环.这些金属环可以让信号在内部多次反射, 从而增大信号的强度.所有的这些部件都要按照天线的摆放位置来设计,只有当摆放位置正确的时候,天线才能发挥出它最大的效能.如果说普林格尔天线仅仅是一个加了装饰的金属线,那么罐状天线则更像是一个胖墩墩的罐头盒.确切的说罐状天线属于一种波导天线.如图2,这种罐头盒天线的尺寸小巧,电导率高,可以适应各种无线电频率信号.而且它的摆放位置也不是十分严格.这种天线的外形和尺寸都可以自己制定.信号的覆盖范围也非常广.小知识:波导,不是咱们平时用的那个手机牌子而是一种射频信号(RF射频)的传输通路.一般的低频信号可以使用铜线作为天线,例如你汽车上的无线电.而高频的RF射频信号有时就采用这种波导的方式传送高能量,高频率的信号.在军事雷达领域通常就使用的是这种波导传送的方式.了解波导波导是一种微波信号的传输方式,它类似于一个同轴电缆.但与同轴电缆不同,波导在传递微波频率的时候几乎没有信号的损失.RF射频信号的能量一般都大于 60千兆赫兹,他们可以快速的穿越波导管道.波导信号的传输需要一些特殊构造的金属来充当天线,他们的外形和尺寸都非常特别.(如图3)通常波导天线都是矩形结构的,这些天线的制造和安装也都非常昂贵.因为天线是金属的,他们要求加工工艺非常精确,波导传输线的要求也非常严格.波导信号的发散形状非常有趣,它的样子就像电磁RF射频能量.这些具备二元性的电磁波的发散形状非常稳定,并且磁场波及范围非常广阔.在同轴线缆内,信号是沿着线缆中的导体向外进行扩散.而在波导中,一部分信号被天线所阻挡、反射,最后所有的信号都径直朝向一个方向发散开来,其中的细节错综复杂.(如图4,波导信号的扩散路径)在这篇文章中,我就给你讲述一下在制作波导天线时的经验,这包括对于天线尺寸外形的要求,以及信号源和天线的放置地点等等.构建一个波导线是非常困难的,那需要专用的工业材料.然而我们仅仅需要较短距离的波导传输,波导线就可以使用一般的同轴电缆代替.而且民用Wi-Fi的信号对于天线的要求就更为宽松,天线也就可以制作的简单一些.波导天线的尺寸众所周知,波导天线的尺寸要与所传输信号的频率相匹配,因此波导天线需要特殊的尺寸.在当今的Wi-Fi无线网络环境中,我们使用的都是2.4GHZ的波段.无线网络的这个波段被划分成14个频道.从Channel 01:2.412 GHz起步,每个频道递增0.005GHz.一般Wi-Fi无线网卡默认的是6频道,也就是2.437GHz的频率.我们要以6频道为准绳,制造出一架全 Wi-Fi频道的无线天线.对于这一波段内的天线有着严格的尺寸要求.为了保证Wi-Fi天线能够更好的工作,你需要尽可能的精确罐头盒的尺寸.如图5,给出了罐头盒的各部分的尺寸说明.有了这些尺寸你就可以去超市寻找合适的罐头盒了,一般很多大桶装的咖啡和牛奶罐头都是不错的选择.罐头盒周身最好是光滑的圆柱,不要有凹凸不平的波浪纹.直径最好在100mm,误差不要超出10%(90-110mm)长度约在123mm左右,误差不要超出10%信号源水平高度为24mm(波长的1/5)信号源偏移距离为27mm(大约是波长的7/32)小提示:计算波长的方法为:300/2.437=123mm罐头盒的改造首先你要拿掉罐头盒的塑胶盖子,或者去掉罐头盒顶部的金属盖子.将盒中的咖啡或者奶粉取出.你要保证罐头盒边沿没有凹口,罐头盒本身是完整的.如果有凹口你要尽量将凹口去除,保持罐头盒边沿的平滑.虽然咖啡和奶粉末对我们的信号影响不大,但是你也要将罐头盒内部都清理干净.这个罐子整理好之后应该像这样子.如图6开凿一个孔洞我们要在罐头盒中放置一个信号源,在这里我们不谈那些复杂的计算方法,我只想告诉大家信号源的形状、大小、安放的位置都是极为重要的,请大家一定要注意这些规格参数.对于Wi-Fi无线信号源我们也不是随意放置的.信号源与天线底部的那一小段距离被叫做偏移距离,一般来说这段距离应该是"封闭空间波长"的 1/4.对于各种频率信号来说,偏移的距离也各不一样.下面的表格就列出了在无线网络领域中1、6、11频道的偏移距离.信号源类型频道信号频率直径为90 mm天线的偏移距离直径为100 mm天线的偏移距离直径为110 mm天线的偏移距离圆柱型或金属线型信号源12.41253 mm45 mm42 mm圆柱型或金属线型信号源62.43751 mm44 mm41 mm圆柱型或金属线型信号源112.46250 mm44 mm40 mm楔型信号源62.43729 mm27 mm26 mm在我们的这个长度为100mm内径的罐头盒中,偏移距离为27mm.你需要在距离罐头盒底部27mm的地方钻出一个孔洞用来放置信号源.如果你的罐头盒内径不是100mm,那么你需要细心的计算出你自己的偏移距离.这个偏移的距离对最后网络信号的接收效果尤为重要.一旦确定了偏移距离,后面的工作就比较简单了.我们可以先用笔和尺子在罐头盒上标出钻孔的位置.需要注意的是,在测量距离的时候,不要理会罐头盒底部凸唇的距离,而是要以内壁的底部为准.如图7在钻孔的时候你要注意,钻孔的直径要略大于同轴电缆N型连接头的直径.这样以后只要稍微用力,就能将同轴电缆的N型连接头压入罐子中.这里我使用了7mm的钻头.如图8同轴电缆的N型连接头有很多类型,具体哪一种类型并没有关系,你可以自己选择.在这篇文章中,我使用的是一种四周带四个螺丝孔的.这样我可以用螺丝将他们固定在罐头盒上.除了刚才钻的那个孔之外,我还在它四周钻了四个小孔.如图9选择合适的放射信号源信号源放射体的选择也是非常重要的.它将直接连接到同轴电缆内部的导体,它是信号扩散到空间中的最终的放射源.放射体可以有很多形状,对于波导信号来说不同形状的放射源也会产生不同的效能.一般常用的放射源有三种形状:圆柱体、楔型体、圆锥体.如图10圆锥型的放射源是最有效率的,但它的制作工艺要求非常严格,因此实现起来也是非常困难的.而圆柱体和楔型体制作起来就比较简单了.其中圆柱体的放射体制作起来是最为简单的,你只需要找一根粗一点的铜导线就可以了.但是圆柱体的信号的适应频率和拓展范围也是最为狭窄的.如果你使用它来制作波导天线的话,最终的信号效率将大打折扣.较之圆柱体来说楔型体放射源的制作会稍微复杂一些,但是它可以完全与Wi-Fi的信号频率相匹配.并且信号的效率也仅仅比圆锥体略逊一点而已.因为楔型体与圆锥体最为近似,他们的信号效率也就大致相当.放射源的长度也是比较重要的参数,下面的表格就罗列出了各种形状的放射源的长度与所能承载信号频率的匹配关系.放射源类型信号频率信号波长放射源长度圆柱体或金属线 12.412124 mm31.0 mm圆柱体或金属线 62.437123 mm30.7 mm圆柱体或金属线 112.462122 mm30.5 mm楔型体或圆锥体 62.43724.0 mm如表格所示,我们的楔型体放射源的长度应该为24mm.如图11,这是圆柱体与楔型体的长度示意图.圆柱型放射源的制作制作圆柱型放射源极为简单,只要找一个较粗的铜核心的同轴电缆就可以了.用钳子切断一节同轴电缆,使用刀片刨去外部的绝缘部分.再用尺子量出一段合适的距离.(如图12,长度为30.7mm)在一端用钳子夹扁,以便让它能更好的焊接在N型连接头上.如图13楔型体放射源的制作虽然楔型体放射源的制作并不复杂,但是也需要你掌握一定的焊接技术.要想涵盖所有的Wi-Fi频段,楔型体的底部需要有1mm的宽度,即它与N型连接头焊接的地方.它的顶端宽度要达到6mm.如图14你可以找一张铜片,然后用剪刀按照规格参数剪下一小片铜片作为放射源.如果铜片表面不够平整的话,你可以使用锤子在其表面反复击打整平.如图15,这是做好的楔型体放射源.组装罐头盒天线这是最后一步,让我们把所有的配件都组装在一起巴.首先,使用电烙铁,将楔型体放射源焊接在N型同轴电缆连接头上.注意焊锡要均匀平整,不能因中间连接了焊锡而改变楔型体的长度.如图16下一步,是将N型同轴电缆连接头插入罐头盒内部,将N型连接头的四角都拧上螺丝固定.如图17这里需要注意的是,楔型体放射源的表面要与罐头盒底部相平行.否则你的信号强度也会大打折扣.如图18最后,小心的拆开你的Wi-Fi 802.11x网卡,找到金属天线处然后用一根同轴电缆连接天线,将同轴电缆的另一端与N型同轴电缆连接头相连.在这里要尽量避免天线直接裸露,街头处尽量用同轴电缆内的屏蔽层覆盖.如图19大功告成这就是天线最后的样子.天线测试和总结在做好这个罐头盒天线之后,很多人都会发问,它究竟会对Wi-Fi无线网络信号带来多大的改善呢?你可以随我作一个小试验:将一台微波炉与我们做好的天线放置在同一张写字台上,他们之间留有50mm的距离.在微波炉中放一杯水,开启微波炉直到水被煮沸.在水被加热的过程中,你要认真观察Wi-Fi无线网络信号的变化.如果在这个过程当中你的网络信号没有衰减,那么就证明这个天线是非常成功的.在整个制作中一定要力求精细,每个规格参数都要力求精准,这样天线才能发挥出最大功效.以后微波炉和手机再也不会干扰你的无线网络信号了.你觉得怎么样?还不赶快亲自动手作一个.WIFI的无线天线设计路由器端的全向天线高增益的全向天线,可以做ET高增益天线,不过制作难度和效果也略显大些,目前做了几个ET天线,最终效果都还没达到理想要求,需要很好的计算才行.稍后发图.路由器端的定向天线简单实用,需要材料:奶粉盒,50欧母馈线或75欧姆同轴缆线(同轴缆线距离不能长,一般30厘米长度内效果还可以)50欧姆馈线为最佳.馈线连接头(可在电子市场买到),绝缘胶布(与铁盒接口处要包绝缘胶布)烙铁(所有接触点都要焊接牢固) 制作这种天线,每一个细节都会影响到最终效果.用户端的简易定向天线对于WIFI无线信号来说,削弱影响最大的树木材质,发射影响最大的金属材质.所以用户端我们经过权衡选择如下材质.1 抛物面:捞饺子用的抛物笊篱(15厘米直径的就可以了)10块钱左右2 锡箔纸:4-6块钱一卷,宽度要大于15厘米.3 无线USB网卡4 0.5千克监控摄像头用活动支架,监控用品店可买到8块钱左右首先取正方形锡箔纸两块对其重叠中间使用双面胶粘贴.半圆直径略小于笊篱直径,将其分成均匀8份,裁剪.将笊篱尾把去掉与活动支架连接,然后把锡箔使用双面胶粘贴上去.经实验证明两层锡箔比一层的效果要好一些.粘贴好后,用铁丝在网上固定出一个支架来,用于固定USB网卡的位置.在这里我们不用像接收卫星信号一样要计算仰角等参数,但仍要注意角度问题,否则反馈器的作用会适得其反.其实我们是要明确给网卡加装反射弧的意义所在,我们并不是主要为了整强下行信号而设计的,主要考虑的是上行问题,我们可能给无线路由安装一个高增益天线, 信号能传播几公里,反过来看我们的网卡能接收到信号,但我们的网卡有这样上行发射能力吗,显然没有.所以我们做反馈主要是为了整强上行,所以焦点要对好, 对不好焦点无线网卡发送的信号90%可能被射向偏离方向,这样实际效果会比不使用反馈弧更差.所以我们要确保网卡反射的信号50%能到达路由天线区域.这就是个微调过程.最终实物图:智能天线技术MIMO在广域WIFI中的应用分析无线网络运营商极大的为无线技术提供了移动宽带接入和丰富的媒体业务,运营商对需要的网络容量,用户数据速率,距离和覆盖质量作很大的改进,面对日益竞争激烈的运营商来说,建立和维持盈利的商业模式,多输入多输出(MIMO)智能天线技术提供的潜在性能增益的兴趣很大,为了满足技术上的挑战,带来网络的发展,在无线局域网(WLAN)领域已经有实际应用的MIMO以及近来客户端设备技术的进步,并且这将促进广域网中的MIMO应用普及.促使MIMO在局域网领域取得成功的许多局域网固有特性与广域网环境有着很大的区别,因此我们必须谨慎地对待这种在不同应用中的转变.在下面对广域网 MIMO应用的简要说明中,我们将重点突出干扰和有限散射特性,这二者是最重要的区别,也是实现中需要着重考虑的因素.对无线运营商来说有个好消息,即在广域网中确实可以实现MIMO的大部分理论增益,条件是采用具有网络意识(network-aware)的解决方案,这样的方案能够减少多蜂窝环境中的干扰,并保持受限散射条件下的运行稳定性.另外值得注意的是,由于无需对现有无线协议作任何修改就能获得这些性能增益,因此广域网中的MIMO要比一般想象的更容易实现.图1:在基站(BS)和客户设备(CD)之间具有两条主导传播路径的无线信道,如图中箭头所示,该信道叠加在基站标称的120°扇区传送图案上.定义MIMO技术由于用户端设备对成本具有较大的敏感性,因此在目前商业广域网中的智能天线配置只是在链路的基站侧使用多幅天线,而客户端设备只有一幅天线.随着改善广域网经济的压力不断增大,以及客户端设备芯片集成度提高,以及对客户端增加智能天线处理的边缘成本的降低,运营商对在链路两端都使用智能天线的解决方案兴趣也越来越大.两端同时用多幅天线将可以采用许多新的传输技术,这些技术在仅单端使用多幅天线的系统中是不可行的,在大多数情况下应用这些技术将提供更多的系统性能增益.业界对智能天线的讨论,包括对用于各种不同实现中的术语有完全不同的定义,因此有必要简要介绍分类适用方法.先来看最简单的例子,考虑在链路的每端都只有一幅天线的某个系统,虽然信号向所有方向(一般在120°扇区内)发送,但某个具体的无线信道可能只有两条主导路径,如图1所示.本文所示例子是一个高位基站与一个路面的低位移动手机(更广泛地说是"客户设备",因为有可能是移动计算平台)之间的通信,大部分接收信号来自于邻近建筑物的反射.这是一个单输入单输出(SISO)的信道.[注:在无线通信领域中所说的术语"输入"和"输出"是针对信道本身而言的,并非以信道两端的设备为参考]本文讨论的是最简单的,也是目前最常见的智能天线.如果接收器有一幅以上的天线,那么它能智能地组合来自不同天线接收到的信号,并识别出信号确实是来自两个主要方向.它具有这个功能的原因是因为两条路径有不同的空间特性(spatial characteristic)或不同的空间特征(spatial signature).由于接收器能识别这两种不同的空间特征,因此它能组合来自两个天线的信号,并将二者累加起来形成更强的组合信号.这种方式被称为单输入[到信道1]多输出[自信道1](或SIMO)方式,这就是有名的接收器分集方案.接收分集技术被广泛用于2G 和现在的3G蜂窝网络的链路基站侧.反过来,如果发送器有多幅天线,而接收器只有一幅天线,信号将仍沿相同的路径传播,因为物理环境没变(建筑物仍在那儿).这种传播方式称为多输入单输出 (MISO)方式.与SIMO相比,MISO的最大不同在于信号组合必须在发送端完成,而不是在接收端.通过仔细调整发送天线,两条路径能够以与SIMO 相同的方式完成叠加.这种方法被广泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系统,这种系统的基站侧有多幅用于接收(工作在SIMO模式)和发送 (工作在MISO模式)的天线.在链路两端提供多幅天线的方式就是MIMO方式.在这种情况下,可以更高效地使用这两条路径,如图2所示.发送器可以通过调整它的天线以让图2中蓝色所示的信息流沿第一条路径(也就是空间特征)发送,而橙色所示的另外一条信息流沿另一条路径发送.因为接收器也有多幅天线,因此它可以通过检测不同的空间特征把两条流分开来.在这种情况下,发送器可以发送两个完全不同的数据流,从用户看来相当于将数据速率提高了一倍.与单独的MISO或SIMO处理相比,这种方式在最佳状态下具有材料上的优势,这种MIMO优势的取得不需要增加额外的带宽和功率.一般会降低单天线链路性能的多径传输在MIMO方式中反而会提高信道效率和质量.MIMO系统能够利用多径传播的前提是在传播环境中存在这些空间维数,对这一点的理解非常重要.在图2中,一共有4幅天线,但只有两条主导路径.在这种情况下即使有4幅天线也只能形成两条数据流.因此MIMO性能与系统应用环境中多径的丰富程度密切相关.幸运的是,在许多环境中存在足够多支持多个并行数据流的散射和多径传播.信息理论的研究表明,如果链路两端都使用多幅天线,那么代表了数据速率上限的系统容量将随天线数量的增加而呈线性增长(在确定的信道前提下,并保持整体功率不变).具有相同数量发送和接收天线的不同MIMO系统的理论容量如图3所示,8×8图2:具有两个主导传播路径的通信信道在MIMO方式下可以使用户数据速率加倍.值得注意的是,多天线处理可以完成波束整形,从而使信号沿着感兴趣的信道传播,而另外一个主导信道上不传信号.MIMO系统(即链路的每端有8幅天线)的容量最多可以达到单天线系统容量的8倍.考虑所有的网络的运营和资本开支,MIMO技术提供的性能和经济效益要比单天线系统高出许多.特别是对于高数据速率的业务,比如真正的宽带接入、IPTV和大型文件传输,在这些应用中受限的带宽会引起严重的问题,而MIMO 技术则是很有前途的一种解决方案.图3的预测值只表征了理想系统的性能极限.信息理论对如何达到这些极限值没有提供太多的实用性指导意见,实际系统面临着如何充分利用信道提供的空间维度的挑战.大体上有三种主要推荐的信道利用方法,前两种方法着重单条链路的性能,第三种着重整个网络性能:1. 提高数据速率上文讨论的技术(如图2中所示)通常称为空间复用.对于有丰富散射环境的信道来说,通过在每幅天线上发送独立的信息流可以提高数据速率,使用较为成熟的接收器技术可以将不同的数据流分离开来并进行单独解码.例如使用4幅发送和4幅接收天线的系统容量将达到单天线系统的4倍.2. 通过分集技术改善服务质量相反,如果在多幅天线多个符号(symbol)上发送相同的信号,那么就可以改善传输的可靠性,而不是提高数据速率.实际上在不同天线和不同时间点发送多份信号拷贝的这种技术提供了空间-时间的分集.同时在空间和时间上传播或编码信息符号的技术被称为空间-时间编码技术.3. 通过减轻干扰获得更高的数据速率和更好的服务质量MIMO系统中利用空间维度的另外一种适合更多干扰环境的方法是优化整个系统中的射频能量分布,尽量减少网络中共信道干扰的产生和敏感度.本文最后部分将详细讨论这种方法.利用更高的SINR(更高的SINR可实现更高的调制等级,因此链路可达到更高的数据速率)和经典分集(可增加链路稳定性),这种方案可以提供更高的数据速率和更具鲁棒性的链路.就像在MISO系统中,基站用多个空间信道来实现客户设备一致的组合能量那样,这些信道被客户端用来改善这些空间'方向'中的有效灵敏度(像SIMO系统那样),降低基站发送所需的功率.相反的过程在上行链路上完成.基站和客户设备通过自动一致地运行降低系统中的干扰水平.就像后文所要讨论的那样,整个网络性能是广域网系统优化的关键方面,而降低干扰是提高宽带网络性能的主要驱动力.全球的研究实验室业已证明MIMO技术在早期的无线局域网应用中的实际可行性,其系统容量非常接近实验室中同时使用空间复用和空间-时间编码技术所能达到的理论预测值.由于在最初应用中获得了巨大性能增益,MIMO技术很快走出实验室,并应用于实际的WLAN产品中.MIMO早期在WiFi上取得的成功宣传最多的MIMO实现是在固定的无线局域网环境中,在这种环境中MIMO的最大好处是提高了单个用户设备的吞吐量.特别是家庭和企业级WLAN所具有的多个特性使它们成为最早采纳MIMO的理想候选网络,这些特性包括:1. 丰富的散射大多数WiFi系统都处在有大量散射条件的环境中,如室内或密集的城市建筑物间.在这些环境中通常有多条传播路径或空间维度可用来形成多个流.事实上,室内环境与获得图3所示的容量随天线数量增加而呈线性增长所需的条件非常相似.2. 独立部署获得快速部署的一个重要因素是WiFi设备通常是最终用户自己购买的,并且在他们自己的网络中是独立部署的.不同MIMO WiFi解决方案的互操作性并不成问题,就像IEEE 802.11n产品在公共MIMO标准获得一致意见之前取得成功所表明的那样,允许快速部署MIMO技术,不需要等到标准的统一.3. 有限的干扰同样关键的是WiFi环境非常接近研究MIMO技术的理论假设.由于WiFi网络的短距离和动态信道分配特性,MIMO接收器一般工作时没有很大的共信道干扰.如果工作在没有补偿的共信道干扰环境中,这些解决方案的性能会很快下降.MIMO在WiFi中的成功部署表明由MIMO提供的潜在性能改善是真实的.从实验室结果到实际的WiFi产品只用了短短几年的时间,这一事实对广域网无线网络运营商来说意味着再次取得成功的机会非常大.广域网所面临的挑战使MIMO在WiFi产品中得到成功应用的性能优势同样使MIMO成为广域无线移动环境中的一种可能的技术选择.然而,移动、多蜂窝环境与WiFi射频环境在某些方面有本质的区别,因此移动环境面临诸多配置方面的挑战.。

大型可展开空间天线结构技术的新进展2011年第1期中国雷达ChinaRadar13大型可展开空间天线结构技术的新进展王援朝(西北电子设备研究所,西安710061)摘要:本文简单介绍了近年来大型可展开空间天线结构技术的进展情况,包括径向肋/环向绳索天线结构技术,混合型充气/机械展开天线结构技术,充气天线结构技术,天线表面主动控制技术,大型和超大型空间天线在轨装配技术等.关键词:可展开空间天线;空间天线;航天器天线;空间结构1引言可展开空间天线(DeployableSpaceAntenna)是空间飞行器有效载荷的重要组成部分,自上世纪6O年代初问世以来,已经在各类科学卫星,技术试验卫星和应用卫星中得到了广泛应用.近十多年来,随着移动卫星通信,深空通信,对地观测,射电天文空间甚长基线干涉测量,军事电子侦察等空间应用领域的高速发展,对宽频带,高增益,大口径或超大口径可展开空间天线的需求也越来越迫切.到目前为止,已经建成,在建或拟建造的大型可展开空间天线的口径都不小于10m,部分天线的口径或长度更高达数十米甚至数百米以上.可展开空间天线通常分为网状天线,实面天线和充气天线三大类.网状天线结构重量轻,收拢体积小,口径扩展范围大,且技术相对成熟,是建造大型可展开空间天线的首选结构形式.到目前为止,已经有多部大型网状天线应用或即将应用在卫星上,例如美国应用技术卫星ATS-6上的9.1m缠绕肋天线,日本工程试验卫星ETS-Ⅷ上的13m张力桁架天线,阿拉伯区域通信卫星Thuraya上的12.25m周边桁架天线,美国Harris公司近年研制的25m环形桁架天线(图1)等.实面天线的最大优点是表面精度高,但结构质量大,收缩率小, 加上受到现有发射条件的限制,最大口径通常不大于10m,例如美国TRW公司建造的花瓣形可展开反射器天线口径为10m,表面精度高达0.O5～O.075ramrms, 而德国,日本等国建造的实面可展开天线口径均在10m 以下.与上述两类天线相比,充气天线结构重量最轻,收拢体积最小,且展开可靠性高,制作成本低,因此是建造大型和超大型可展开空间天线的最佳选择之一. 1960年,1964年和1996年成功进行的3次大型曲面充气天线在轨试验中的天线口径分别为30.5m,40.1m和14m.图lHarris公司研制的25m~30m环形桁架天线缩尺样机近年来,一些在建或拟建的大型可展开空间天线均工作在宽频带或高频率(毫米波段),因此对大口径或超大口径可展开空间天线的需求越来越广泛,对天线表面精度的要求也越来越高.要满足这些要求,必须在现有基础上进行技术创新.本文简单介绍一下近年来大型可展开空间天线在结构创新和新技术开发方面的进展情况.2大型可展开空间天线结构技术的新进展2.1开发新结构2007年7月,日本宇宙开发局(JAXA)正式启动了VSOP_2卫星(ASTR(~G卫星)工程.按照计划,2010年将完成卫星所有部件的详细设计并制造出样机,部件测试和最终试验将于2011～2012年完成,卫星将于2013年1～2月发射.VSOP-2卫星天线为偏置抛物面天线,天线直径为9.26m,焦距为7m,观测频段为8OHz,22GHz和14王援朝:大型可展开空间天线结构技术的新进展2011年第1期43GHz,预期的总表面精度为0.4mmrms.该天线重新采用了径向肋支撑结构,并继承了ETⅧ卫星天线的模块组合结构,从而构成了一个全新结构的天线——径向肋/环向绳索天线.该天线没有采用VSOP-1卫星天线和ETS-Ⅷ卫星天线中的张力索网,而是开发出一种通过简单调节实现高表面精度的方法.该天线由7个六角形模块构成,每个模块由42根弹性径向肋,7圈环向绳索,拉绳,射频反射网和可展开桁架组成.通过调节拉绳和环向绳索所产生的径向肋的弹性变形形成抛物面的曲率(拉绳和环向绳索对每根肋条的变形起作用),然后连接反射网,这样就可简单地通过调节拉绳和最外边的环向绳索达到高反射面精度.VSOP-2卫星天线的每个模块均用6根支杆相互连接在一起,模块中心安装了弹簧,模块通过弹簧力驱动支杆展开,其原理与自动按钮式雨伞相似.模块的展开速度由马达控制,所有模块的展开速度都是同步的.图2为VSOP-2卫星9m天线的模块结构,图3为2008年8"--9月进行的9m天线单模块工程样机热/真空试验.环肋桁架图2VSOP_2卫星9m天线的模块结构2.2继续开展混合型充气/机械展开周边桁架天线结构技术研究混合型充气/机械展开周边桁架天线以全机械周边桁架天线的基本结构为基础,将充气天线中相对成熟的充气硬化桁架结构与柔性张力索网巧妙结合在一起,构成了一个混合型周边桁架天线结构,它兼具充气天线和周边桁架天线的结构简单,重量轻,收拢体积小,表面精度高,制造成本低等优点,是建造大型或超大型可展开空间天线最理想的结构选型之一.美国国防部于1999 图3VSOP一2卫星9.26m天线单模块工程样机热/真空试验~2005年间主持研制的"大型雷达天线"(LRA)就是一部应用在天基雷达上的混合型充气/机械展开周边桁架天线,该天线在柔性充气材料试验,充气桁架与索网反射器系统的有效连接,反射面成形技术,混合型周边桁架天线结构的机械性能鉴定等方面取得了重要进展. 与同口径的全机械周边桁架天线相比,混合型周边桁架天线的重量可减轻2/3,硬件成本可降低90.拟建造的美国新一代同步多普勒气象雷达卫星的可展开反射器天线口径为35m,工作频率为35GHz,预期表面形状精度为0.21mmrms,该天线的待选方案中就含有3个混合型周边桁架天线设计方案,其中的一个设计方案如图4所示.充气硬化式轮辐伸展臂图4气象雷达卫星的35m混合型周边桁架天线设计方案2.3继续开展大型和超大型充气天线结构技术研究与其他大型可展开空间天线相比,充气天线收拢形状可变,包装体积最小,重量最轻,成本最低,十多年来已在天线在轨试验,结构形式创新,表面精度的提高与国2011年第1期中国雷达ChinaRadarl5保持,新材料开发等关键技术方面取得重要进展,是建造大型可展开空间天线的最佳选择之一.目前正在开展的大型充气天线结构研究项目主要有长条形充气天线(长度300m)结构技术研究,反射阵充气天线结构技术研究,无防护罩的充气硬化天线(图5)结构技术研究,天线表面形状主动控制技术研究,新型薄膜材料形状记忆聚合物(SMC)的研制及其在充气天线中的应用等.图5真空环境下展开的充气硬化天线(2m×3m)2.4开展天线表面形状主动控制技术研究近年来,一些在建或拟建造的大型可展开空间天线均工作在Ka或Ka以上频段,所以对天线表面精度的要求越来越高.例如,正在建造中的"高级天一地射电干涉测量系统"(ARISE)的充气天线口径为25m,最高工作频率为86GHz,预期表面形状精度为0.22mmrms;拟建造的美国新一代同步多普勒气象雷达卫星的可展开反射器天线口径为35m,工作频率为35GHz,预期表面形状精度为0.21mmrms.天线在轨工作期间,为了克服热载荷等空间环境因素对天线表面形状精度的影响,并将其保持在预期的范围内,必须对其进行主动控制.可采用各种不同的方式主动控制天线表面形状,此处简单介绍一下正在研究中的可展开薄膜/网状天线表面形状的静电控制技术.静电控制的可展开薄膜/网状天线设计见图6.该天线由薄膜反射面(或极薄的网状反射面),反射面支撑环(可调),前张力索网和安装在其网面上的薄膜静电控制电极,张力调节装置,后张力索网和索网支撑——可展开周边桁架组成.该天线用静电力主动控制薄膜反射面,从而将薄膜反射面与理想形状的偏差降至最低. 利用电极面和薄膜反射面之间的电位差将反射面吸向电极面来实现控制.2004年4月,美国SRS公司与NorthropGrummanAstroAerospace公司合作,成功地在～台静电控制的5m可展开薄膜反射面天线样机上对用静电力主动控制天线表面形状的方法进行了验证,如图7所示,该天线共有216个薄膜电极面,可分别用单独的电源控制.除了可用静电力对天线表面形状进行主动控制外,还可通过改变调节装置长度的方式主动控制天线的表面形状,例如,改变周边桁架天线前,后张力索网之间张力调节装置的长度就可对天线表面形状进行主动控制. 图6静电控制的可展开薄膜/网状天线设计图75m静电控制薄膜反射面天线原型机2.5重新开展在轨装配技术研究近年来,随着空间科学研究的不断深入和应用领域的不断扩展,对大口径,高精度空间天线(包括大口径,高精度实面天线)的需求越来越迫切,而现有的空间天线结构和发射运载条件很难完全满足这些需求.因此, 有人提出重新采用上世纪60~70年代大型和超大型空间天线结构技术概念研究期间的设计理念,并将早期, 现在和新开发的技术结合在一起,以满足新的需求,其中重新开展在轨装配技术研究和应用的提议已经受到广泛关注.在轨装配的概念是设计一种能在空间组装的大型或超大型天线.如果在空间组装,可先用航天飞机把可简单,有效包装的结构构件运输到空间轨道,进入轨道后,再用机器人把这些构件组装在一起.图8为当时制作的100m抛物面天线在轨装配验证样机.重新开展的在轨装配研究拟采用的可展开空间天线结构为模块式组合结构,口径为80~100m,最高将达300~-.600m.(下转第46页)46刘淑振,等:某雷达密闭控制柜散热特性的数值模拟研究2011年第l期>59.768.076.384.692图845℃时控制柜内部气流4结论本文利用专用电子设备热设计软件Flotherm,采用有限容积法对电子设备温度场进行了数值分析.利用该方法对控制柜进行仿真,获得了控制柜在不同工作环境下全功率工作时的稳态温度场分布,分析了相关因素的影响,初步得到以下结论:(1)一般情况下,不同的环境温度对控制柜内部温度分布有较大的影响,严重制约着控制柜的散热特性.在控制柜的设计中需要有能够满足各种条件下散热的散热系统;(2)考虑空气重力因素,由于热浮力的作用,密闭箱体内形成了一定的环流,这有利于密闭箱体的散热,但完全不能满足环境温度较高时的散热要求,对控制柜的设计需要加强密闭箱体内部的空气流动以满足控制柜的散热要求.参考文献[1]赵继永,马大为,乐贵高.某多管火箭炮瞬态热特性的数值模拟研究[v].南京理工大学,2010,34(1)[2]胡志勇.确保计算机高可靠性的热设计考虑[J].计算机工程,1998,24(10)[3]许敏,张萍.FNM结合CFD在电子设备热设计中的应用IT].计算机工程与科学,2008,30(11)[4]付桂翠,高泽溪,方志强,等.电子设备分析技术研究[V].电子机械工程,2004,20(1)E5]邓时秋.热交换系统在电子设备热设计中的应用研究[D].武汉:武汉理工大学jj姥坐船j'鲁jj宣函j皓》妇船I;鲁亭宣妇夸妊螺妇j妇睦j酱j略夸船夸j缸;鲁妇船夸夸拓j;鲁》'}妇姑船妇妇妇妇业j;}j(上接第l5页)扩展结构线结构将逐渐从网状天线向重量更轻,包装效率更高,制造成本更低的充气天线或混合型充气/机械展开天线机蓄蹴犍冁肭斛醐雠配图8100m抛物面天线的在轨装配验证样机3结束语臂近年来,在空间应用需求(特别是军事应用需求)的强力拉动下,大型可展开空间天线在结构创新和新技术开发方面又有了新的进展,而对充气天线,混合型充气/机械展开周边桁架天线结构技术的深人研究和形状记忆聚合物(SMP)等新材料的出现,则大大加快了这一进程.随着对更大口径可展开空问天线需求的不断增加和空间应用材料技术的不断发展,大型可展开空间天参考文献[1]FreelandRESurveyofdeployableantennaconcepts.Sat—ellitecommunicationantennatechnology,1982:613—652[2]ShintateKyoji,rgedeployablereflector(LDR).JournaloftheNationalInstituteofInformationandCom- municationsTechnology,V o1.50,Nos.3/4,2003:33—39 [3]王援朝.可展开网状反射器天线结构发展概况.通信与测控,2006(4):1-8[4]MarkWThomson.AstromeshTMDeployableReflectors forKu-andKa-bandCommereia1Satellites.A2002—2032:9[5]EastwoodIra.MechanicalTechnologyDevelopmentonA35一mDeployableRadarAntennaforMonitoringHurri—caries.JetropulsionLaboratoryCaliforniaInstituteof Technology,EarthScienceTechnologyConference2006, June28,2006:34[6]王援朝.充气天线结构技术的发展与挑战.中国雷达, 2010(1):24—27。