基站天线波束赋形及其应用研究

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ABSTRACT
III
ABSTRACT
With the large-scale commercial use of the third generation mobile communication technology (3G) and the commercial trial of the fourth generation (4G), the base station antennas face increasingly stringent requirements on the performance of transmission speed and data quality. Since the traditional omni-directional antennas and cluster antennas cannot meet the requirements, the application of antenna arrays in base station attracts more and more attention in recent years. With the significant advantages of high gain, strong radiation directivity, ease of beamforming and good performance of anti-interference, the antenna array has become a research hotspot in antenna study and design. Therefore the design and optimization of beamforming for antenna arrays attach great importance, which are the key technologies of antenna arrays. The thesis mainly studies one of the algorithms used for beamforming of antenna arrays on base station. Its major work includes the following aspects: A brief study on two traditional approaches and several popular optimization algorithms for pattern integration has been made. And the principle and strategy of firefly algorithm (FA) are elaborated. In the paper, we consider the beamforming problem as an optimization task of a constructed objective function. Based on FA, the thesis ultimately realizes a novel method of beamforming of base station antennas. An optimization software for beamforming is developed, which adopts FA as its core algorithm. Then sorts of special beams matching the certain requirements of base station have been designed and realized by using the software, which includes narrow beam, wide beam, saddle beam, horizontally-tilted beam and vertically-tilted beam, etc. Besides, the tasks of null-fill and sidelobe suppression have been completed. A wideband planar dipole array has been designed, by which the beamforming software in this paper has been tested by comparison of the radiation patterns from software and from simulation based on HFSS. The single element of the array adopted a folded dipole structure, whose arms are coupling fed through a 50 ohm coaxial feeder. The antenna is printed on the dielectric plate with a thickness of 1 mm and a relative dielectric constant of 2.65. It works in the frequency band from 2.3 to 2.8 GHz. Then sixteen elements are arranged to become a 4*4 antenna array with an x-axial space of 82mm and a y-axial space of 61mm. The array works in the frequency band from 2.5 to 4.3 GHz. The thesis takes the single element and the 1*4 array as two sets of array elements, and verifies the pattern integration results of E-pattern of 1*4 array and
dx 82 mm 、 dy 61mm 组成 4*4 阵列后可工作于 2.5-4.3GHz。分别以单个偶极子
和 1*4 阵列作为阵元，通过 HFSS 仿真平台分别对 1*4 阵列的 E 面方向图和 4*4 阵列的 H 面方向图的软件综合结果进行了验证，结果显示该软件具有易用性、准 确性、有效性等特点。 关键词：波束赋形 方向图综合 基站天线 阵列天线 萤火虫算法
工 程 领 域电子与通信工程 企业指导教师姓名职称 高 峰 高工 论 文 类 型 应用基础技术类 提 交 论 文 日 期二○一三年三月
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IV
基站天线波束赋形研究
H-pattern of 4*4 array respectively. The testing results illustrate the efficiency and accuracy of the software. Keyword: Beamforming Pattern Integration Base Station Antenna
摘要
I
摘要
我国第三代移动通信技术（3G）的大规模商用以及第四代移通信技术（4G） 的试商用，对基站天线的性能提出了越来越严苛的要求。传统的全向天线和集束 天线日益不能满足基站天线高速率、高质量传输数据的要求，因而阵列天线在基 站天线中的应用得到了极大重视，阵列天线以其增益高、辐射方向性强、方向图 易成形、抗干扰能力强等优点已经成为天线设计领域的热点。作为阵列天线的关 键技术之一，阵列的波束赋形设计显得尤为重要。本文研究了用于移动通信的基 站阵列天线的波束赋形问题，主要工作包括以下几个方面： 1.研究了传统的方向图综合方法和常用的几种用于方向图综合的优化算法， 重 点阐述了萤火虫算法（FA）的原理，并将方向图赋形问题视为目标函数的优化问 题，合理构造目标函数，最终实现了一种基于萤火虫算法的阵列方向图赋形算法。 2.设计了一款用于移动通信基站天线阵列波束赋形的优化软件， 该软件核心优 化模块采用萤火虫算法。本文使用该软件对基站天线所要求的各种特殊波束进行 了设计实现，包括窄波束、宽波束、马鞍形波束、水平倾斜波束、垂直下倾波束 的设计与实现，并完成了零点填充、旁瓣抑制等方向图优化任务。 3.设计了一个 16 单元的宽带平面偶极子天线阵列，并在 HFSS 平台上进行了 仿真计算。 利用本文设计的波束赋形算法优化得出的馈电权值， 在 HFSS 平台上进 行了模型仿真。 经过对比从软件和 HFSS 中输出的方向图结果， 我们验证了本文设 计的赋形软件的有效性和准确性。该阵列的阵元辐射贴片采用对折偶极子结构， 双臂采用耦合馈电方式，端口用 50 欧姆同轴线进行馈电，印制在厚度为 1mm，相 对 介 电 常 数 为 r 2.65 的 介 质 上 ， 阵 元 可 工 作 于 2.3-2.8GHz 。 然 后 以 间 距 为
Antenna Arrays
Firefly Algorithm
目录
V
目录
摘要 .................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... III 目录 ................................................................................................................................... V 第一章 绪论 ..................................................................................................................... 1 1.1 选题背景及研究意义 ......................................................................................... 1 1.2 阵列天线波束赋形的研究现状 ......................................................................... 2 1.3 本文的研究内容及安排 ..................................................................................... 3 第二章 基本理论概述 ..................................................................................................... 5 2.1 阵列天线基本理论 ............................................................................................. 5 2.1.1 阵列天线基本概念 ................................................................................... 5 2.1.2 阵列天线分析方法 ................................................................................... 6 2.2 阵列天线方向图综合基本理论 ....................................................................... 10 2.2.1 方向图综合基本概念 ............................................................................. 10 2.2.2 方向图综合设计方法 ............................................................................. 10 2.3 常用优化算法基本理论 ................................................................................... 13 2.3.1 遗传算法 ................................................................................................. 14 2.3.2 差分进化算法 ......................................................................................... 14 2.3.3 群智能优化算法 ..................................................................................... 16 2.4 基站天线基础知识 ........................................................................................... 18 2.4.1 传统的基站天线形式 ............................................................................. 18 2.4.2 智能基站天线介绍 ................................................................................. 19 2.5 本章小结 ........................................................................................................... 20 第三章 基于最优化算法的阵列波束赋形软件开发 ................................................... 21 3.1 传统阵列天线方向图综合 ............................................................................... 21 3.2 萤火虫算法原理与编程实现 ........................................................................... 23 3.2.1 萤火虫算法的仿生学原理 ...................................................................... 24 3.2.2 基于萤火虫算法的阵列天线波束赋形设计 .......................................... 24 3.2.3 基于萤火虫算法的阵列天线波束赋形软件开发 .................................. 27 3.3 本章小结 ........................................................................................................... 29 第四章 阵列波束赋形软件在基站天线中的应用 ....................................................... 31 4.1 基站天线基础 ................................................................................................... 31 4.1.1 基站天线发展回顾 ................................................................................. 31
代
号
10701 TN82
学 密 编
号 级 号
1075490279Biblioteka Baidu公开
分类号 U D C
题（中、英文）目
基站天线波束赋形及其应用研究 Study of Beamforming for Base Station Antennas and Its Application
作 者 姓 名 白晓平
学校指导教师姓名职称 孙保华 教授