基于電磁有限導體面鏡像的抗干擾天線技術研究

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

移動互聯網時代加速了3G、LTE、Wi-Fi等網絡的部署，智能終端的普及使各類無線寬帶網絡應用出現爆發式增長。2 400 Hz頻段屬全球公開通用無線頻段，頻段范圍內及邊緣存在多種制式無線射頻標準，其中包括宏蜂窩移動網絡（如TD-LTE）、短距離無線通信網絡（如Wi-Fi IEEE 802.11b/g/n、ZigBee IEEE 802.15.4）、私有網絡（如wireless USB、bluetooth IEEE 802.15.1）等。

以商用Wi-Fi網絡為例，2 400 Hz是終端普及度最高的使用頻段，如藍牙、ZigBee、無繩電話等，集中了絕大部分的用戶，83.5 MHz的理論帶寬內就存在13個相互疊加信道，使用擴頻序列碼的直接序列擴頻方式，會導致信道干擾大，且持續時間長，而CSMA機制，進一步加劇了碰撞退避幾率，使吞吐量嚴重下降，降低了接入速度和傳輸速率，用戶體驗惡化。

以上描述的問題都屬于電磁干擾問題，隨著網絡規模加大和用戶數的增加，電磁干擾問題更加嚴重，且不可避免。因為其本質是由信道共享引起的信道競爭，STA通過CSMA/CA機制檢測信道信號強度、信號質量或NAV，在信道空閑時才發送數據；結果每個AP的通信概率基本相當，約等于單AP占用信道時的1/N（N等于共享信道的AP數），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一步加劇，導致底噪抬升，信號質量惡化，從而引起信號被破壞，即解調失敗，通過回退機制重新競爭，結果空口數據總的平均傳輸時延增加，最終導致每個AP的吞吐量下降。

2 常規優化手段

受制于標準協議和設備能力，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種傳統優化手段：

·避免使用交疊工作頻譜的頻譜規劃優化；

·增大相鄰天線距離的空間射頻分布優化；

·收縮覆蓋范圍的功率優化等傳統技術。

但隨著市場競爭的加劇、網絡業務的高負荷運行、高密度的用戶量，傳統的抗干擾技術效果均不理想。

3 研究思路

鑒于傳統優化技術的適用性與效果等現狀，需要重新探索一種適用于當今高速發展的移動互聯網時代需要的新型抗干擾技術，在抗干擾性能、運行可靠性、生產成本3個方面取得好的平衡點。

圖1 新型介質貼片布局示意

基于以上出發點，研究2 400 Hz頻段物理層特性，根據干擾的成因，利用超寬帶微波通信原理，設計天線信號輻射空間分布特性，使用新型介質對輻射貼片進行合理布局（如圖1所示）后，能產生良好的頻段回波損耗特性。

經過對新型介質天線的輻射貼片合理布局，在2 400 Hz頻段產生了良好的電磁抗干擾性能，其主要表現為以下3個方面：

·減少工作頻段碰撞報文與重傳報文的比例；

·縮短用戶接入時延；

·提高報文傳送速率。

4 技術原理

應用新型的導電介質，可以在有限電磁導體面實現鏡像特性（如圖2所示），利用鏡像源等效邊界的影響，能消除邊界效應，使原本非均勻的有限區域變為無限大的均勻自由空間。

圖2 電磁導體面鏡像特性示意

理想導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和它的鏡像配置在取走導電平板后二者的組合。利用有限電磁導體面鏡像原理，能很好地解決電磁空間分布的問題，在目標覆蓋區域內，進行陣因子的疊加（如圖3所示），則可以實現輻射信號的無損覆蓋。

圖3 應用陣因子疊加的貼片介質

為提高抗干擾天線的適用性，要求天線具有重量輕、剖面薄、平面結構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成本。

5 技術對比

傳統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構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，同時不會以犧牲覆蓋為代價，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，起到有效的抗干擾性能。輻射方向性能對比如圖8所示。

6 應用效果

某高校教學樓區域，兩家運營商部署同信道Wi-Fi網絡，導致接入網絡困難、上網速率慢。通過部署抗干擾天線，上網體驗得到較好的改善，現場環境及平面如圖9所示。

圖7 S11回波損耗對比

圖8 輻射方向對比

圖9 某高校教學樓干擾現場示意

確定干擾源并部署抗干擾天線后，分別從網絡接入時延、上網速率、信道報文傳送質量3個方面檢驗抗干擾效果。通過測量，核心區與背面區網絡接入時延分別改善43.19%和33.10%；上網速率提高190.02%；核心區與背面區信道報文傳送質量分別改善42.45%和14.50%（如圖10所示）。

在干擾核心區域，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）。

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

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

信道傳輸速率獲得整體提高，高速率報文整體占比提高，且速率穩定度更優。信道傳輸速率集分布對比如圖14所示。干擾區域信道傳輸實時速率對比如圖15所示。

信道傳輸速率表示信道上所有數據的傳輸速度，包括同一時間段內有效數據及干擾源無效數據，兩者差值表示在同一時間內無效數據傳輸的數量，而上網速率則代表信道上有效數據傳輸速度。由于普通天線核心區接收大量干擾源無效數據，抬高信道傳輸速率，而普通天線背面區離干擾源較遠，受干擾較小，接收的干擾源無效數據較少，因此信道傳輸速率較低。數據結果顯示，普通天線上網速率均較差，信道中無效數據較多，有效數據較少，是造成信道傳輸速率差值大的主要原因。

圖10 傳統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時延對比

圖13 信道質量對比數據

圖14 信道傳輸速率集分布對比

圖15 干擾區域信道傳輸實時速率對比

由圖16數據可見，抗干擾天線由于抑制了干擾源信號，無效數據明顯減少，核心區信道傳輸數據量大幅減少，信道傳輸速率隨之下降，但上網速率得到明顯提升，背面區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，核心區和背面區信道傳送速率相似，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，所以核心區和背面區的上網速率大幅提高。

圖16 信道傳輸質量效果對比示意

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

7 結束語

本文提出的新型抗電磁抗干擾天線是針對2 400 Hz頻段，因為2 400 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、藍牙、3G、4G等民用無線電通信系統，電磁干擾現象最多最突出。新型抗干擾天線基于非平衡縫隙微帶天線，綜合利用了有限導體面鏡像、陣因子疊加、光刻腐蝕等物理層技術，在電磁抗干擾性能、運行可靠性、生產成本取得了較好的平衡點。為民用無線電領域電磁抗干擾開辟了一條新的解決思路，啟發人們應對未來更復雜多變的移動互聯網無線環境。

圖17 微波暗室實驗

表1 微波暗室實驗及結果示意

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,催鐵軍.多頻段吸頂天線設計.2009年全國天線年會，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,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用分析.郵電設計技術,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