移动通信系统中的天线

　　 本书主要介绍与覆盖了移动通信系统中天线相关的内容，包括天线的数值计算方法、优化设计方法、基站天线、多天线技术、波束赋形技术、移动终端天线技术、超宽带天线、可穿戴天线、电磁新材料研究、射频识别天线等。
    读者对象：本书可供从事天线研究与设计工作的技术人员阅读，也可供大专院校相关专业的大学生和研究生参考使用。
    目    录
    第1章  移动通信中天线综述 1
    1.1  引言 1
    1.2  发展趋势 3
    1.3  现代移动天线设计 5
    1.4  小结 6
    参考文献 6
    第2章  移动通信天线的基础知识 8
    2.1  天线的基本概念 8
    2.1.1  平面波 8
    2.1.2  极化 8
    2.1.3  天线方向图 11
    2.1.4  天线方向性系数 12
    2.1.5  天线增益 13
    2.1.6  天线带宽 15
    2.1.7  天线的噪声温度 15
    2.1.8  天线的交调 17
    2.2  电磁场的基本原理 17
    2.2.1  Maxwell方程组 17
    2.2.2  对偶性原理 20
    2.2.3  唯一性定理 21
    2.2.4  镜像原理 21
    2.2.5  惠更斯原理 22
    2.2.6  巴俾涅原理 23
    2.2.7  基尔霍夫近似 25
    2.3  小结 26
    参考文献 26
    第3章  天线仿真计算 27
    3.1  引言 27
    3.2  高阶矩量法及其并行计算 28
    3.2.1  PMCHW积分方程 28
    3.2.2  几何建模 30
    3.2.3  高阶基函数 32
    3.2.4  检验过程 34
    3.2.5  并行高阶矩量法 38
    3.2.6  仿真实例 40
    3.3  时域有限差分法及其并行计算 47
    3.3.1  FDTD基本方程 47
    3.3.2  数值稳定性和色散特性 51
    3.3.3  吸收边界条件 52
    3.3.4  激励源 55
    3.3.5  近远场变换 62
    3.3.6  并行时域有限差分法 64
    3.3.7  仿真实例 69
    3.4  小结 71
    参考文献 71
    第4章  粒子群优化算法及其应用 74
    4.1  引言 74
    4.2  进化计算概述 74
    4.2.1  进化计算的基本结构 74
    4.2.2  进化计算的主要特征 75
    4.3  粒子群优化算法 75
    4.3.1  PSO算法基本思想 75
    4.3.2  标准PSO算法 75
    4.3.3  标准PSO算法流程 76
    4.4  粒子群优化算法性能分析 76
    4.4.1  无约束优化测试函数 76
    4.4.2  PSO算法参数分析 78
    4.4.3  PSO算法有待改进的几个方面 80
    4.5  结合模式搜索的双中心粒子群优化算法 81
    4.5.1  双中心策略 81
    4.5.2  加权中心的计算 82
    4.5.3  终止准则 82
    4.5.4  滤除重复计算 82
    4.5.5  模式搜索算法 82
    4.5.6  结合模式搜索的双中心粒子群优化算法 83
    4.6  优化实例 84
    4.7  傅里叶级数分布的连续线源最优方向性综合 86
    4.7.1  长为L的连续线源方向系数的计算 86
    4.7.2  优化结果 87
    4.8  双频基站天线的波束赋形设计 88
    4.8.1  垂直面方向图波束赋形设计要求 88
    4.8.2  波束赋形优化设计的目标函数 89
    4.8.3  双频基站阵列天线技术方案 89
    4.8.4  设计结果 90
    4.9  小结 91
    参考文献 92
    第5章  基站天线 93
    5.1  引言 93
    5.2  基站天线技术 93
    5.3  波束赋形基站天线 98
    5.3.1  水平面波束赋形天线 98
    5.3.2  垂直面波束赋形天线 102
    5.4  波束赋形扇区智能天线 106
    5.4.1  广播模式 107
    5.4.2  业务模式 109
    5.4.3  单元损坏 109
    5.5  小结 112
    参考文献 112
    第6章  移动通信系统中的多天线技术 117
    6.1  引言 117
    6.2  多天线技术 117
    6.2.1  多天线技术 117
    6.2.2  多天线技术分类 119
    6.2.3  多天线研究内容 119
    6.3  空间信道特性 120
    6.3.1  方向性信道冲激响应 120
    6.3.2  阵列响应矢量 122
    6.3.3  相关衰落 123
    6.4  空间信道建模 124
    6.4.1  子径叠加模型 125
    6.4.2  天线模型 127
    6.5  智能天线技术的发展 129
    6.5.1  智能天线技术发展概述 129
    6.5.2  DOA估计及应用 131
    6.5.3  校准 132
    6.6  小结 133
    参考文献 133
    第7章  TD-SCDMA系统中的智能天线 135
    7.1  引言 135
    7.2  TD-SCDMA上行处理 136
    7.3  广播波束赋形 137
    7.4  TD-SCDMA下行处理 139
    7.4.1  赋形情况下的数据模型 139
    7.4.2  波束赋形准则 141
    7.4.3  波束赋形算法 143
    7.5  性能仿真评估 147
    7.5.1  仿真条件及假设 147
    7.5.2  智能天线性能仿真 149
    7.6  性能测试评估 154
    7.7  小结 157
    参考文献 157
    第8章  移动终端天线 158
    8.1  终端天线设计 158
    8.1.1  单极子天线 158
    8.1.2  螺旋天线 159
    8.1.3  倒F天线 161
    8.1.4  微带贴片天线 162
    8.1.5  芯片天线 165
    8.2  芯片天线 165
    8.2.1  天线设计 166
    8.2.2  天线性能 167
    8.2.3  天线示例2 169
    8.2.4  小结 170
    8.3  组合螺旋天线设计 170
    8.3.1  天线结构与特性 170
    8.3.2  天线测试结果 172
    8.4  终端MIMO天线 173
    8.5  小结 179
    参考文献 179
    第9章  超宽带天线 182
    9.1  引言 182
    9.1.1  发展与近况 182
    9.1.2  超宽带的特点及局限 183
    9.2  超宽带天线性能 184
    9.2.1  超宽带天线的工作带宽 184
    9.2.2  超宽带天线的指标要求 184
    9.3  超宽带天线 186
    9.3.1  超宽带平板单极子天线 187
    9.3.2  印刷单极子天线 187
    9.3.3  印刷缝隙全向天线 189
    9.3.4  锥削缝隙天线 191
    9.4  超宽带陷波天线 194
    9.4.1  切槽技术 194
    9.4.2  寄生单元 196
    9.5  超宽带天线散射 198
    9.5.1  引言 198
    9.5.2  超宽带天线散射特性 199
    9.5.3  超宽带天线RCS减缩 200
    9.6  超宽带阵列天线 202
    9.6.1  引言 202
    9.6.2  电流片模型 203
    9.6.3  超宽带锥削缝隙阵列 204
    9.6.4  天线设计实例 206
    9.7  小结 208
    参考文献 208
    第10章  可穿戴天线 211
    10.1  引言 211
    10.2  可穿戴天线的研究 212
    10.2.1  COMWIN天线 213
    10.2.2  UCLA织物天线 218
    10.2.3  可穿戴纽扣天线 220
    10.2.4  宽频带可穿戴天线 220
    10.2.5  三维机织物微带天线 220
    10.3  小结 222
    参考文献 222
    第11章  EBG结构特性研究 224
    11.1  引言 224
    11.2  表面波抑制带隙 226
    11.3  垂直入射平面波反射相位特性 233
    11.4  斜入射平面波反射相位分析 240
    11.5  局域谐振腔体单元模型 242
    11.6  实验验证 244
    11.7  近EBG表面的反射相位特性 246
    11.8  小结 247
    参考文献 248
    第12章  射频识别天线 250
    12.1  引言 250
    12.2  射频识别技术简介 250
    12.2.1  RFID基本原理 250
    12.2.2  RFID工作频率 251
    12.2.3  RFID技术标准 252
    12.3  低频和高频RFID天线 252
    12.3.1  低频和高频标签天线 252
    12.3.2  低频和高频读写器天线 254
    12.4  超高频读写器天线 254
    12.5  超高频标签天线与RFID芯片的阻抗匹配 255
    12.5.1  T-匹配法 255
    12.5.2  电感耦合环法 257
    12.5.3  嵌套缝隙法 258
    12.6  超高频标签天线 259
    12.6.1  标签天线的设计要求 259
    12.6.2  弯折线天线 259
    12.6.3  平面倒F天线 261
    12.7  小结 262
    参考文献 262
缩略词 266
序    言
这是一本涉及移动通信系统中各种天线设计及其应用的专业著作。移动通信是电子领域目前最活跃、最富有前途的领域之一。天线在移动通信中起到举足轻重的作用，直接关系到通信系统的质量。国内专门阐述移动通信系统中天线及其应用的著作并不多见。本书覆盖了移动通信系统中天线的相关内容，有移动通信系统介绍、移动通信中天线基本设计原理等背景内容；有天线计算技术，包括天线数值计算与电磁优化设计等；还分别给出了多种应用领域中的天线应用实例，包括基站天线、智能天线、移动终端天线、超宽带天线、用于天线设计的电磁新材料和射频识别天线等相关内容。书中内容汇集了国内工作在一线的研究人员的一些研究成果，在该领域非常有特色并具有一定的创新性。书中研究成果饱含了作者及参与编著本书研究人员的辛勤劳动和汗水。特撰此书，作者及参编人员期待与大家更好地交流，并与广大学者、工程应用人员和研究生共飨，以进一步促进该领域更快、更好、更繁荣地发展。
 
新加坡   
2010-9-10

前    言
随着全球电子技术的发展，移动通信无疑是与人们的生活关系最密切的领域之一，而只要有无线传输的地方，必然有天线的存在。天线技术是移动通信系统中最关键、最有发展前途的方向之一，移动通信在世界范围内也已成为天线发展的主要动力，随着各种新兴技术的发展，通信天线也在不断地创新与应用。
本书由一批工作在第一线的研究人员来完成编写工作，在名气上，他们也许并不为外界所知，但他们在各个研究方向上积累了比较丰富的工作经验并具有较高的学术造诣，本书中的内容体现了他们多年的研究成果，也借此书来与业界进行交流。
本书内容包括移动通信系统中天线的相关知识，重点阐述各种应用领域的天线技术。全书共分12章：1．移动通信中天线综述，介绍移动通信中的各种天线及其研究进展；2．移动通信天线的基础知识，介绍天线设计中相关的基本概念和基础理论；3．天线仿真计算，介绍电磁场数值计算中的最新数值计算方法及其并行计算等；4．粒子群优化算法及其应用，介绍电磁领域的优化算法及其在天线设计中的应用实例；5．基站天线，介绍移动通信系统中基站天线的设计及其应用；6．移动通信系统中的多天线技术，介绍多天线技术的相关背景与在无线通信系统中的应用；7．TD-SCDMA系统中的智能天线，介绍智能天线相关技术及其性能评估等；8．移动终端天线，介绍移动终端天线的设计；9．超宽带天线，介绍超宽带天线及其陷波特性和隐身特性；10．可穿戴天线，介绍织物天线及其他可穿戴天线的应用；11．EBG结构特性研究，介绍电磁材料的发展及其在天线设计中的应用；12．射频识别天线，介绍射频识别系统和应用到的天线。
本书内容集中了作者和广大撰稿人近年来在天线方面的研究成果，内容新颖，理论与工程应用相结合，对于电磁场与微波技术等学科领域的科研人员、高校教师和研究生等，都有较高的参考价值。
本书由刘英教授、龚书喜教授负责编著，第1章与第2章由刘英教授、龚书喜教授撰写，第3章由赵勋旺博士、张玉博士撰写，第4章由陈胜兵博士、焦永昌教授撰写，第5章由卜安涛博士、陈胜兵博士撰写，第6章与第7章由孙长果博士撰写，第8章至第10章由刘英教授撰写，第11章由李龙教授撰写，第12章由黄丘林博士撰写，参与本书编写的还有姜文博士生和洪涛博士生等。
本书承蒙新加坡国立大学李乐伟教授，西安电子科技大学傅德民教授、焦永昌教授审阅，并提出了不少宝贵的修改意见，在此一并致谢。
本书的出版得到了“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项“高效节能的有源一体化天线”课题的资助。
本书编辑、出版工作繁重，电子工业出版社的有关领导和工作人员付出了大量的心血，特此一并致谢。
由于作者水平有限，书中错误难免，对于所引用的文献，书中都给出了标注，但难免有疏漏之处，恳请读者不吝指教，以不断完善本书。
编者
2010年11月于西安电子科技大学