基于電磁有限導(dǎo)體面鏡像的抗干擾天線技術(shù)研究

鄧博存，沈建軍，許向東

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代加速了3G、LTE、Wi-Fi等網(wǎng)絡(luò)的部署，智能終端的普及使各類無線寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用出現(xiàn)爆發(fā)式增長。2 400 Hz頻段屬全球公開通用無線頻段，頻段范圍內(nèi)及邊緣存在多種制式無線射頻標(biāo)準(zhǔn)，其中包括宏蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（如TD-LTE）、短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)（如Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n、ZigBee IEEE 802.15.4）、私有網(wǎng)絡(luò)（如wireless USB、bluetooth IEEE 802.15.1）等。

以商用Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)為例，2 400 Hz是終端普及度最高的使用頻段，如藍(lán)牙、ZigBee、無繩電話等，集中了絕大部分的用戶，83.5 MHz的理論帶寬內(nèi)就存在13個(gè)相互疊加信道，使用擴(kuò)頻序列碼的直接序列擴(kuò)頻方式，會(huì)導(dǎo)致信道干擾大，且持續(xù)時(shí)間長，而CSMA機(jī)制，進(jìn)一步加劇了碰撞退避幾率，使吞吐量嚴(yán)重下降，降低了接入速度和傳輸速率，用戶體驗(yàn)惡化。

以上描述的問題都屬于電磁干擾問題，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模加大和用戶數(shù)的增加，電磁干擾問題更加嚴(yán)重，且不可避免。因?yàn)槠浔举|(zhì)是由信道共享引起的信道競爭，STA通過CSMA/CA機(jī)制檢測信道信號強(qiáng)度、信號質(zhì)量或NAV，在信道空閑時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)；結(jié)果每個(gè)AP的通信概率基本相當(dāng)，約等于單AP占用信道時(shí)的1/N（N等于共享信道的AP數(shù)），因此，信道競爭是引起每AP吞吐量下降的主要原因。在多AP、STA共享信道情況下，空中信道的信號碰撞進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致底噪抬升，信號質(zhì)量惡化，從而引起信號被破壞，即解調(diào)失敗，通過回退機(jī)制重新競爭，結(jié)果空口數(shù)據(jù)總的平均傳輸時(shí)延增加，最終導(dǎo)致每個(gè)AP的吞吐量下降。

2 常規(guī)優(yōu)化手段

受制于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和設(shè)備能力，在有限的頻譜資源、有限的空間維度等條件下，一般采用以下3種傳統(tǒng)優(yōu)化手段：

·避免使用交疊工作頻譜的頻譜規(guī)劃優(yōu)化；

·增大相鄰天線距離的空間射頻分布優(yōu)化；

·收縮覆蓋范圍的功率優(yōu)化等傳統(tǒng)技術(shù)。

但隨著市場競爭的加劇、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的高負(fù)荷運(yùn)行、高密度的用戶量，傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)效果均不理想。

3 研究思路

鑒于傳統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的適用性與效果等現(xiàn)狀，需要重新探索一種適用于當(dāng)今高速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代需要的新型抗干擾技術(shù)，在抗干擾性能、運(yùn)行可靠性、生產(chǎn)成本3個(gè)方面取得好的平衡點(diǎn)。

圖1 新型介質(zhì)貼片布局示意

基于以上出發(fā)點(diǎn)，研究2 400 Hz頻段物理層特性，根據(jù)干擾的成因，利用超寬帶微波通信原理，設(shè)計(jì)天線信號輻射空間分布特性，使用新型介質(zhì)對輻射貼片進(jìn)行合理布局（如圖1所示）后，能產(chǎn)生良好的頻段回波損耗特性。

經(jīng)過對新型介質(zhì)天線的輻射貼片合理布局，在2 400 Hz頻段產(chǎn)生了良好的電磁抗干擾性能，其主要表現(xiàn)為以下3個(gè)方面：

·減少工作頻段碰撞報(bào)文與重傳報(bào)文的比例；

·縮短用戶接入時(shí)延；

·提高報(bào)文傳送速率。

4 技術(shù)原理

應(yīng)用新型的導(dǎo)電介質(zhì)，可以在有限電磁導(dǎo)體面實(shí)現(xiàn)鏡像特性（如圖2所示），利用鏡像源等效邊界的影響，能消除邊界效應(yīng)，使原本非均勻的有限區(qū)域變?yōu)闊o限大的均勻自由空間。

圖2 電磁導(dǎo)體面鏡像特性示意

理想導(dǎo)體平板上方空間的任何電荷配置，在電氣上都等于原來的點(diǎn)和它的鏡像配置在取走導(dǎo)電平板后二者的組合。利用有限電磁導(dǎo)體面鏡像原理，能很好地解決電磁空間分布的問題，在目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)，進(jìn)行陣因子的疊加（如圖3所示），則可以實(shí)現(xiàn)輻射信號的無損覆蓋。

圖3 應(yīng)用陣因子疊加的貼片介質(zhì)

為提高抗干擾天線的適用性，要求天線具有重量輕、剖面薄、平面結(jié)構(gòu)且易與載體共形的特性，因此，使用微帶非平衡縫隙天線是最佳選擇，其輻射效果如圖4所示。

圖4 微帶非平衡縫隙天線輻射效果示意

在天線制作上，建議運(yùn)用光刻腐蝕原理（如圖5所示），不但能提高制作精度，而且能大幅降低生產(chǎn)成本。

5 技術(shù)對比

傳統(tǒng)天線的輻射振子為圓錐型的單極子單元，而抗干擾天線輻射振子則采用平面結(jié)構(gòu)的非平衡縫隙輻射單元，抗干擾天線更有利于電磁信號的空間輻射方向，如圖6所示。

圖5 光刻腐蝕原理

圖6 輻射振子對比

在工作頻率方面，傳統(tǒng)天線工作在0.8～2.5 GHz，而抗干擾天線的工作頻率為可以控制在2.4～2.5 GHz，能量更加集中，更有利于有效信號的覆蓋效果，下面通過S11回波損耗示意圖進(jìn)行對比，如圖7所示。

在輻射方向上，抗干擾天線具有良好的信號指向性，同時(shí)不會(huì)以犧牲覆蓋為代價(jià)，通過合理的貼片布局，使空間利用率大幅提高，在保證良好的覆蓋效果的同時(shí)，起到有效的抗干擾性能。輻射方向性能對比如圖8所示。

6 應(yīng)用效果

某高校教學(xué)樓區(qū)域，兩家運(yùn)營商部署同信道Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致接入網(wǎng)絡(luò)困難、上網(wǎng)速率慢。通過部署抗干擾天線，上網(wǎng)體驗(yàn)得到較好的改善，現(xiàn)場環(huán)境及平面如圖9所示。

圖7 S11回波損耗對比

圖8 輻射方向?qū)Ρ?/p>

圖9 某高校教學(xué)樓干擾現(xiàn)場示意

確定干擾源并部署抗干擾天線后，分別從網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)延、上網(wǎng)速率、信道報(bào)文傳送質(zhì)量3個(gè)方面檢驗(yàn)抗干擾效果。通過測量，核心區(qū)與背面區(qū)網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)延分別改善43.19%和33.10%；上網(wǎng)速率提高190.02%；核心區(qū)與背面區(qū)信道報(bào)文傳送質(zhì)量分別改善42.45%和14.50%（如圖10所示）。

在干擾核心區(qū)域，平均下載速率由原來的78.12 kbit/s提高到200 kbit/s以上；在干擾背面區(qū)域，平均下載速率由原來125 kbit/s提高到179.69 kbit/s（如圖11所示）。

在干擾核心區(qū)域，DHCP獲取時(shí)延由原來的5 464 ms縮短到3 104 ms；在干擾背面區(qū)域，平均DHCP獲取時(shí)延由原來的5 121 ms縮短到3 426 ms（如圖12所示）。

在干擾核心區(qū)域，信道報(bào)文重傳率由原來的12.18%減少到7.01%；在干擾背面區(qū)域，信道報(bào)文重傳率由原來11.59%減少到9.91%，如圖13所示。

信道傳輸速率獲得整體提高，高速率報(bào)文整體占比提高，且速率穩(wěn)定度更優(yōu)。信道傳輸速率集分布對比如圖14所示。干擾區(qū)域信道傳輸實(shí)時(shí)速率對比如圖15所示。

信道傳輸速率表示信道上所有數(shù)據(jù)的傳輸速度，包括同一時(shí)間段內(nèi)有效數(shù)據(jù)及干擾源無效數(shù)據(jù)，兩者差值表示在同一時(shí)間內(nèi)無效數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)量，而上網(wǎng)速率則代表信道上有效數(shù)據(jù)傳輸速度。由于普通天線核心區(qū)接收大量干擾源無效數(shù)據(jù)，抬高信道傳輸速率，而普通天線背面區(qū)離干擾源較遠(yuǎn)，受干擾較小，接收的干擾源無效數(shù)據(jù)較少，因此信道傳輸速率較低。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，普通天線上網(wǎng)速率均較差，信道中無效數(shù)據(jù)較多，有效數(shù)據(jù)較少，是造成信道傳輸速率差值大的主要原因。

圖10 傳統(tǒng)天線與抗干擾天線下整體效果對比

圖11 平均下載速率對比

圖12 DHCP時(shí)延對比

圖13 信道質(zhì)量對比數(shù)據(jù)

圖14 信道傳輸速率集分布對比

圖15 干擾區(qū)域信道傳輸實(shí)時(shí)速率對比

由圖16數(shù)據(jù)可見，抗干擾天線由于抑制了干擾源信號，無效數(shù)據(jù)明顯減少，核心區(qū)信道傳輸數(shù)據(jù)量大幅減少，信道傳輸速率隨之下降，但上網(wǎng)速率得到明顯提升，背面區(qū)由于受干擾源影響較少，且抗干擾天線未對該方向作處理，因此接收干擾信號與普通天線類似。消除干擾源影響后，核心區(qū)和背面區(qū)信道傳送速率相似，且由于抗干擾天線抑制了干擾源的影響，其所接收的有效信號增多，所以核心區(qū)和背面區(qū)的上網(wǎng)速率大幅提高。

圖16 信道傳輸質(zhì)量效果對比示意

由于抗干擾天線是基于物理層技術(shù)，通過微波暗室對MAC底層速率進(jìn)行對比（如圖17所示，結(jié)果示意見表1）。

7 結(jié)束語

本文提出的新型抗電磁抗干擾天線是針對2 400 Hz頻段，因?yàn)? 400 Hz頻段范圍及邊緣是目前無線制式最多的公共頻段，集中了Wi-Fi、藍(lán)牙、3G、4G等民用無線電通信系統(tǒng)，電磁干擾現(xiàn)象最多最突出。新型抗干擾天線基于非平衡縫隙微帶天線，綜合利用了有限導(dǎo)體面鏡像、陣因子疊加、光刻腐蝕等物理層技術(shù)，在電磁抗干擾性能、運(yùn)行可靠性、生產(chǎn)成本取得了較好的平衡點(diǎn)。為民用無線電領(lǐng)域電磁抗干擾開辟了一條新的解決思路，啟發(fā)人們應(yīng)對未來更復(fù)雜多變的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)無線環(huán)境。

圖17 微波暗室實(shí)驗(yàn)

表1 微波暗室實(shí)驗(yàn)及結(jié)果示意

1 Wang H,Wu X,Huang Z,et al.Design of a new type of broadband antenna with indoor distribution.Proceedings of ICMMT 2012,Chengdu,China,2012

2 孫全輝,程強(qiáng),催鐵軍.多頻段吸頂天線設(shè)計(jì).2009年全國天線年會(huì)，成都，中國，2009 Sun Q H,Cheng Q,Cui T J.Design of a Multi-band ceiling antenna.Proceedings of 2009 National Conference on Antenna,Chengdu,China,2009

3 黃聰,薛鋒章.一種小型化隔離MIMO吸頂天線.電訊技術(shù),2011（11）Huang C,Xue F Z.Design of a miniaturized ceiling mounted MIMO antenna with high isolation.Telecommunication Engineering,2011(11)

4 田元兵,張峰,李廣彬.室分新型全向吸頂天線應(yīng)用分析.郵電設(shè)計(jì)技術(shù),2011(8)Tian Y B,Zhang F,Li G B.Analysis of the application of a new omni-directional in-building antenna.Designing Technique of Posts and Telecommunication,2011(8)

5 Chen J Y,Chen X M,Zhang C B,et al.A broadband dual-polarization ceiling-mounted antenna with a nesting structure.Proceedings of ISSSE,Nanjing,China,2010

6 Lee Y,Ha J,Choi J.Design of a wideband indoor repeater antenna with high isolation for 3G systems.IEEE antennas and wireless propagation letters,2010(9)

7 Lee Y,Lee K,Sun T,et al.A broad open slot antenna with uni-directional radiation patterns.Proceedings of IEEE APSURSI,2011(7)8 Ijiguchi S,Kanaya H,Kanemoto D,et al.Development of one-sided directional printed slot antenna for high-band UWB systems.Proceedings of IEEE APSURSI,Washington,USA,2011