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時(shí)間：2022-12-23 12:54:33
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一、引言
我們知道，天線有很多種，但大體上可分為三大類(lèi):“線天線”、“面天線”及“陣列天線”。陣列天線最初用于雷達(dá)、聲納以及軍事通信中，完成空間濾波和參數(shù)估計(jì)兩大任務(wù)。當(dāng)陣列天線應(yīng)用到移動(dòng)通信領(lǐng)域時(shí)，通信工程師喜歡用“智能天線”來(lái)稱謂之。智能天線根據(jù)方向圖形成(或稱為波束形成)的方式又可分為兩類(lèi):第一類(lèi)，采用固定形狀方向圖的智能天線，且不需要參考信號(hào);第二類(lèi)，采用自適應(yīng)算法形成方向圖的智能天線，需要參考信號(hào)。
本文在以下提到的智能天線都是指第二類(lèi)，即(自適應(yīng))智能天線，這也是目前智能天線研究的主流。
二、智能天線的技術(shù)現(xiàn)狀
在分析研究智能天線技術(shù)理論的同時(shí)，國(guó)內(nèi)外一些大學(xué)、公司和研究所分別建立了試驗(yàn)平臺(tái)，用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證理論研究的成果，得出相應(yīng)的結(jié)論。
(1)在美國(guó)
在智能天線技術(shù)方面，美國(guó)較其它國(guó)家要成熟的多，并已開(kāi)始投入實(shí)用。美國(guó)ArrayComm公司將智能天線技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線本地環(huán)路(WLL)系統(tǒng)。ArrayComm方案采用可變陣元配置，有12陣元、8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列可供不同環(huán)境選用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明在PHS基站采用該技術(shù)可以使系統(tǒng)容量提高4倍。
(2)在歐洲
歐洲通信委員會(huì)(CEC)在RACE(ResearchintoAdvancedCommunicationinEurope)計(jì)劃中實(shí)施了第一階段智能天線技術(shù)研究，稱為T(mén)SUNAMI(TheTechnologyinSmartAntennasforUniver-salAdvancedMobileInfrastructure)，由德國(guó)、英國(guó)、丹麥和西班牙合作完成。該項(xiàng)目是在DECT基站上構(gòu)造智能天線試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?995年初開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，天線陣列由8個(gè)陣元組成，射頻工作頻率為1.89GHz，陣元間距可調(diào)，陣元分布有直線型、圓環(huán)型和平面型三種形式。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀脭?shù)字波束成形的方法實(shí)現(xiàn)智能天線，采用ERA技術(shù)有限公司的專(zhuān)用ASIC芯片BDF1108完成波束形成，使用TMS320C40芯片作為中央控制。
(3)在日本
ATR光電通信研究所研制了基于波束空間處理方式的多波束智能天線。天線陣元布局為間距半波長(zhǎng)的16陣元平面方陣，射頻工作頻率是1.545GHz。陣元組件接收信號(hào)在模數(shù)變換后，進(jìn)行快速付氏變換(FFT)處理，形成正交波束后，分別采用恒模(CMA)算法或最大比值合并分集算法，數(shù)字信號(hào)處理部分由10片F(xiàn)PGA完成，整塊電路板大小為23.3cm×34.0cm。ATR研究人員提出了智能天線的軟件天線的概念。
我國(guó)目前有部分單位也正進(jìn)行相關(guān)的研究。信威公司將智能天線應(yīng)用于TDD(時(shí)分雙工)方式的WLL系統(tǒng)中，信威公司智能天線采用8陣元環(huán)形自適應(yīng)陣列，射頻工作于1785~1805MHz，采用TDD雙工方式，收發(fā)間隔10ms，接收機(jī)靈敏度最大可提高9dB。
三、智能天線的優(yōu)勢(shì)
智能天線是第三代移動(dòng)通信不可缺少的空域信號(hào)處理技術(shù)，歸納起來(lái)，智能天線具有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)。
(1)具有測(cè)向和自適應(yīng)調(diào)零功能，能把主波束對(duì)準(zhǔn)入射信號(hào)并適應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)，同時(shí)還能把零響點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)。
(2)提高輸入信號(hào)的信干噪比。顯然，采用多天線陣列將截獲更多的空間信號(hào)，也即是獲得陣列增益。
(3)能識(shí)別不同入射方向的直射波和反射波，具有較強(qiáng)的抗多徑衰落和同信道干擾的能力。能減小普通均衡技術(shù)很難處理的快衰落對(duì)系統(tǒng)性能的影響。
(4)增強(qiáng)系統(tǒng)抗頻率選擇性衰落的能力，因?yàn)樘炀€陣列本質(zhì)上具有空間分集的能力。
(5)可以利用智能天線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電磁環(huán)境和用戶情況來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的管理能力。
(6)智能天線自適應(yīng)調(diào)節(jié)天線增益，從而較好地解決遠(yuǎn)近效應(yīng)問(wèn)題。為移動(dòng)臺(tái)的進(jìn)一步簡(jiǎn)化提供了條件。越區(qū)切換是根據(jù)基站接收的移動(dòng)臺(tái)功率的電平來(lái)判斷的。由于陰影效應(yīng)和多徑衰落的影響常常導(dǎo)致錯(cuò)誤的越區(qū)轉(zhuǎn)接，從而增加了網(wǎng)絡(luò)管理的負(fù)荷和用戶的呼損率。在相鄰小區(qū)應(yīng)用的智能天線技術(shù)，可以實(shí)時(shí)地測(cè)量和記錄移動(dòng)臺(tái)的位置和速度，為越區(qū)切換提供更可靠的依據(jù)。
四、智能天線與若干空域處理技術(shù)的比較
為了進(jìn)一步理解智能天線的概念，我們把智能天線和相關(guān)的傳統(tǒng)空域處理技術(shù)加以比較。
(1)智能天線與自適應(yīng)天線的比較
智能天線與自適應(yīng)天線并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，只是由于應(yīng)用場(chǎng)合不同而具有顯著的差異。自適應(yīng)天線主要應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)的干擾抵消，一般地，雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)具有很強(qiáng)的功率電平，并且干擾源數(shù)目比天線陣列單元數(shù)少或相當(dāng)。而在無(wú)線通信系統(tǒng)中，由于多徑傳播效應(yīng)到達(dá)天線陣列的干擾數(shù)目遠(yuǎn)大于天線陣列單元數(shù)，入射角呈現(xiàn)隨機(jī)分布，功率電平也有很大的動(dòng)態(tài)變化范圍，此時(shí)的天線叫智能天線。對(duì)自適應(yīng)天線而言，只需對(duì)入射干擾信號(hào)進(jìn)行抵消以獲得信干噪比(SINR，SignaltoInterferenceplusNoiseRatio)的最大化。對(duì)智能天線而言，由于到達(dá)陣列的多徑信號(hào)的入射角和功率電平均數(shù)是隨機(jī)變化的，所以獲得的是統(tǒng)計(jì)意義上的信干噪比(SINR)的最大化。
(2)智能天線與空間分集技術(shù)的比較
空間分集是無(wú)線通信系統(tǒng)中常用的抗多徑衰落方案。M單元智能天線也可等效為由M個(gè)空間耦合器按優(yōu)化合并準(zhǔn)則構(gòu)成的空間分集陣列。因此可以認(rèn)為智能天線是傳統(tǒng)分集接收的進(jìn)一步發(fā)展。
但是智能天線與空間分集技術(shù)卻是有顯著的差別的。首先空間分集利用了陣列天線中不同陣元耦合得到的空間信號(hào)的弱相關(guān)性，也即是不同路徑的多徑信號(hào)的弱相關(guān)性。而智能天線則是對(duì)所有陣元接收的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)合并來(lái)形成空間濾波。一個(gè)根本性的區(qū)別:智能天線陣列結(jié)構(gòu)的間距小于一個(gè)波長(zhǎng)(一般取λ/2)，而空間分集陣列的間距可以為數(shù)個(gè)波長(zhǎng)。
(3)智能天線與小區(qū)扇區(qū)化的比較
小區(qū)的扇區(qū)化可以認(rèn)為是一種簡(jiǎn)化的、固定的預(yù)分配智能天線系統(tǒng)。智能天線則是動(dòng)態(tài)地、自適應(yīng)優(yōu)化的扇區(qū)化技術(shù)?，F(xiàn)在，我們來(lái)討論一個(gè)頗有爭(zhēng)議的問(wèn)題。根據(jù)IS-95建議，當(dāng)采用120°扇區(qū)時(shí)系統(tǒng)容量將增加3倍。由此是否可以得到結(jié)論，扇區(qū)化波束越窄系統(tǒng)容量提高越大?考慮到實(shí)際的電磁環(huán)境，我們認(rèn)為對(duì)這一問(wèn)題的回答是否定的。這是因?yàn)檎ㄊ邮盏降男盘?hào)往往是由許多相關(guān)性較強(qiáng)的多徑信號(hào)構(gòu)成的。一般情況下，各徑信號(hào)的時(shí)延擴(kuò)展小于一個(gè)chip周期。這時(shí)信號(hào)波形易于產(chǎn)生畸變從而降低信號(hào)的質(zhì)量達(dá)不到增加系統(tǒng)容量的目的。同時(shí)如果采用過(guò)窄的波束接收信號(hào)，一旦該徑信號(hào)受到嚴(yán)重的衰落，則將直接導(dǎo)致通信的中斷。另外，過(guò)窄的接收波束在工程上是難以實(shí)現(xiàn)的，并將成倍地增加設(shè)備的復(fù)雜度。
五、智能天線的未來(lái)展望
(1)目前還沒(méi)有一個(gè)完整的通信理論能夠較全面地將智能天線的所有課題有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，故需要建立一套較完整的智能天線理論;另一方面，高效、快速的智能算法也將是智能天線走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵。
(2)采用高速DSP技術(shù)，將原先的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)移到基帶進(jìn)行處理?；鶐幚磉^(guò)程是數(shù)字算法的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程。
(3)由于圓形布陣和二維任意布陣比等間隔線陣優(yōu)越，同時(shí)陣列天線的數(shù)字合成算法能夠用于任意形式陣列天線而形成任意圖案的方向圖，因而可考慮在CDMA基站中采用二維任意布陣的智能天線。
(4)在移動(dòng)臺(tái)中(如手機(jī))采用智能天線技術(shù)。
(5)采用智能天線技術(shù)來(lái)改善移動(dòng)通信信道中上下鏈路不能使用同一套權(quán)值的問(wèn)題，以改善上下鏈路的性能。
（1）極化方式。按照天線輻射電磁波的方式不同可以將其分成線極化、橢圓極化和圓極化三種。極化是指天線發(fā)射信號(hào)過(guò)程中其電場(chǎng)矢量端點(diǎn)隨著時(shí)間變化其運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀、取向和旋轉(zhuǎn)方向。在進(jìn)行信號(hào)發(fā)射過(guò)程中，天線采用的計(jì)劃方式不同，其接收的信號(hào)功率損失也不同。
（2）輸入阻抗。輸入阻抗是指天線在信號(hào)接收過(guò)程中其饋電端輸入電壓和電流的比值。當(dāng)天線的輸入阻抗等于饋線的特性阻抗時(shí)，信號(hào)在饋線終端不會(huì)產(chǎn)生功率反射現(xiàn)象，天線上的輸入阻抗受輸入信號(hào)頻率變化的影響較小。為了提高天線接收到信號(hào)的質(zhì)量，我們要盡可能地采用各種方法消除天線中電抗分量的大小，使其盡可能地接近饋線的特性阻抗。一般情況下，我們選擇發(fā)射天線的輸入阻抗為50Ω。
（3）增益和方向圖。增益是指天線對(duì)一個(gè)特定方向上信號(hào)的接收能力，是廣播電視中天線選擇中的重要參數(shù)。相同條件下，天線的增益越高，信號(hào)能夠傳播的距離也就越遠(yuǎn)。方向圖則是描述信號(hào)在不同空間方位下變化的圖形，一般用場(chǎng)強(qiáng)和功率兩種方式進(jìn)行表達(dá)。通常情況下，廣播電視天線以E面和H面描述其天線的方向性，其中E面指的是和天線極化方向和傳播方向平行的平面，H面則是指和E面垂直的平面。
二、廣播電視發(fā)射天線技術(shù)的特點(diǎn)
廣播電視信號(hào)可以按照其發(fā)射功率的大小分成中波、短波和超短波三種。如果信號(hào)傳播過(guò)程中采用中波頻段，那么電磁波在發(fā)射過(guò)程中具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠保證信號(hào)發(fā)射功率的平穩(wěn)性。另外信號(hào)在傳播過(guò)程中，如果能夠以沿著地面的形式進(jìn)行傳播，信號(hào)在傳播過(guò)程中具有較強(qiáng)的抗干擾性，用戶能夠獲得比較高的信號(hào)質(zhì)量。目前我國(guó)廣播電視信號(hào)的傳播普遍采用短波頻段，能夠支持120個(gè)不同頻率的波段，信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到大氣中電離層的發(fā)射，增大廣播電視信號(hào)傳播的距離。另外，我國(guó)廣播電視信號(hào)在傳輸過(guò)程中采用直線形式，沿著地面進(jìn)行傳播，信號(hào)在傳播過(guò)程中受到其他信號(hào)的干擾性較小。為了提高接收廣播電視信號(hào)的質(zhì)量，大部分天線都被安放在較高的地方，如屋頂或者塔尖，提高了信號(hào)接收質(zhì)量。同時(shí)還要加強(qiáng)天線防風(fēng)雨和避雷的特性，因?yàn)閺V播電視信號(hào)采用無(wú)線傳播方式，信號(hào)受天氣的影響較大，嚴(yán)重的甚至?xí)バ盘?hào)的接收功能。這就要求在進(jìn)行天線設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮信號(hào)接收的各個(gè)因素和方面。
三、廣播電視發(fā)射天線的應(yīng)用
隨著科技的不斷發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)精神文化的需求越來(lái)越高，廣播電視在人們生活中的地位也越來(lái)越重要。人們每天通過(guò)廣播和電視了解各種信息，及時(shí)收聽(tīng)和收看國(guó)內(nèi)外新聞事件，提高對(duì)當(dāng)今社會(huì)的認(rèn)識(shí)，與社會(huì)保持密切聯(lián)系。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，廣播電視發(fā)射天線技術(shù)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，通過(guò)不斷的技術(shù)改進(jìn)，現(xiàn)階段廣播電視發(fā)射天線也獲得了較大的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了跟衛(wèi)星信號(hào)的連接。為用戶提供了更高質(zhì)量的信號(hào)，收到了清楚和清晰的收聽(tīng)和收看效果，徹底解決了以前廣播電視發(fā)射天線技術(shù)中常見(jiàn)的圖像不清和聲音嘈雜的問(wèn)題。但是由于電磁波信號(hào)會(huì)對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生一定程度的危害，所以在使用過(guò)程中必須給予足夠的重視。目前我國(guó)已經(jīng)建立了相關(guān)的法律條例，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣播電視發(fā)射天線場(chǎng)區(qū)的保護(hù)。
2先甜5號(hào)種植優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培技術(shù)
2.1地塊選擇
栽培地以選擇土壤肥力中上，排灌方便，光照充足、前茬為非玉米種植田塊為好。最好能選擇水旱輪作田塊種植。
2.2育苗移栽
春季育苗用地膜搭小拱棚覆蓋，在晴朗天氣下解開(kāi)小拱棚兩端的地膜，利于通風(fēng)透氣工作，在晚間溫度低于12℃以下時(shí)，將地膜完整蓋好，可以避免雨水對(duì)苗床的沖刷，起到保護(hù)苗床的作用。
2.3合理密植
在新豐縣馬頭鎮(zhèn)上灣村的種植面積為33.33hm2，種植規(guī)格為1.5m包溝雙行種植，株距為25cm，每667m2種植3500株左右。春播與3月中旬開(kāi)始，收獲從6月上旬開(kāi)始。春收之后可直接免耕連作秋玉米，不但能有效降低成本，還可增強(qiáng)秋玉米的抗倒性。
2.4科學(xué)肥水管理
科學(xué)合理的施肥方法對(duì)作物的增產(chǎn)效果不言而喻，特別是對(duì)于甜玉米作物來(lái)說(shuō)，對(duì)產(chǎn)量的影響巨大。放硼肥可以提高糖度，有效增加商品性，可結(jié)合底肥施入，也可以在吐絲時(shí)期結(jié)合治蟲(chóng)噴施。在拔節(jié)至小喇叭口期，結(jié)合施壯稈肥進(jìn)行1次淺中耕；在大喇叭口期結(jié)合施穗肥進(jìn)行培土，以利根系深扎，增強(qiáng)抗病能力。全期施用尿素44kg、磷肥50kg，氯化鉀30kg。肥料分配如下：基肥：15%尿素和氯化鉀，全部磷肥。第1次追肥：出苗后7～10天追施，15%尿素。第2次追肥：出苗后20～30天追施，20%尿素和20%氯化鉀。第3次追肥：大喇叭口期，50%尿素和65%氯化鉀。
2.5整蘗整穗及采收
由于甜玉米在生長(zhǎng)期間會(huì)產(chǎn)生較多的分蘗和小穗，對(duì)分蘗及小穗要做好及時(shí)清除工作，避免造成玉米養(yǎng)分及水分供應(yīng)不足。可以將每株玉米只留最上部一穗，剩下的部分全部清除。其次應(yīng)在果穗籽粒略轉(zhuǎn)色或花絲轉(zhuǎn)黑色時(shí)及時(shí)采收，成熟一批采收一批，以保證果穗的品質(zhì)和產(chǎn)量。
3先甜5號(hào)種植病蟲(chóng)害綜合防治
3.1農(nóng)業(yè)防治
在農(nóng)業(yè)防治方面應(yīng)做到合理布局和輪作推廣，使多種農(nóng)作物的相生相克作用對(duì)病蟲(chóng)的生活規(guī)律造成影響，降低病蟲(chóng)對(duì)作物侵襲的適應(yīng)性，減少作物受病蟲(chóng)的危害時(shí)間及危害程度。
3.2物理防治
物理防治主要是針對(duì)玉米螟及小地老虎的病蟲(chóng)防治。玉米螟又稱鉆心蟲(chóng)，通過(guò)破壞玉米莖葉組織使水分養(yǎng)分傳輸不到位。這種害蟲(chóng)具有趨光性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以采用黑光燈對(duì)成蟲(chóng)進(jìn)行誘殺，誘殺時(shí)間以每日21時(shí)至次日4時(shí)為宜。對(duì)小地老虎的除害可以采用米糠+豆餅粉拌炒方式，加入5%敵百蟲(chóng)，分置于田間，上面鋪上新鮮嫩草，引誘小地老虎幼蟲(chóng)取食。
3.3生物防治
生物防治就是指利用生物天敵及農(nóng)用抗生素等低毒殘留的生物農(nóng)藥進(jìn)行蟲(chóng)害防治，在玉米螟產(chǎn)卵初期、中期及后期各釋放赤眼蜂1次，每次放蜂1.5萬(wàn)頭/667m2，并注意10月上旬的藥劑防治關(guān)鍵期。
3.4藥劑防治
應(yīng)秉承不使用國(guó)家禁用農(nóng)藥的原則，推行無(wú)公害種植保護(hù)技術(shù)體系，對(duì)農(nóng)藥的濃度及用量方面必須進(jìn)行嚴(yán)格控制，如遇到病蟲(chóng)害情況的發(fā)生，應(yīng)選擇高效低毒低殘留的生物農(nóng)藥進(jìn)行蟲(chóng)害防治。
4效益分析
4.1社會(huì)效益
玉米作為我國(guó)大部分地區(qū)的主要糧食作物之一，同時(shí)也是養(yǎng)殖業(yè)賴以生存和發(fā)展的主要飼料作物，玉米產(chǎn)量的高低，在我國(guó)糧食生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位。先甜5號(hào)玉米新品種的研發(fā)，能有效解決我國(guó)部分地區(qū)玉米單產(chǎn)偏低、總產(chǎn)量增加緩慢以及畜牧業(yè)用糧問(wèn)題。
引言
微帶天線作為一種新型的天線，與普通天線相比，具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。它具有體積小、重量輕、平面結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，可以很容易地與導(dǎo)彈和衛(wèi)星等結(jié)合。此外，微帶天線也有結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定等特性，易于使用的印刷電路技術(shù)和大批量制造技術(shù)。因此，微帶天線以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到在無(wú)線通信系統(tǒng)更廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，許多研究人員通過(guò)努力研究了多種天線技術(shù)來(lái)克服或減少微帶天線一些不足之處[1~3]。然而，以上這些天線定向性不能滿足無(wú)線通信的要求。因此，有必要研究低成本、高增益的WiMAX陣列天線。
本文提出了一種用于WiMAX的新型微帶陣列天線。天線采用獨(dú)特的布局，包括兩層輻射帶，該天線提供了一個(gè)由5.3至5.9GHz的帶寬，能很好應(yīng)用于WiMAX通信系統(tǒng)中。
一.天線結(jié)構(gòu)
蝶形微帶陣列天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線的輻射單元包括兩個(gè)對(duì)稱的印刷帶。天線的上層輻射帶包括八個(gè)輻射單元，輻射單元的長(zhǎng)度為a=10mm，寬為b=8mm，底部輻射帶結(jié)構(gòu)與頂層相反。微帶天線的尺寸354mm×50mm。兩層輻射層均印制在teflon基體上，其介電常數(shù)為2.65，厚度為1mm。上下兩層對(duì)稱的輻射單元與相鄰的饋線網(wǎng)絡(luò)單元連接，結(jié)構(gòu)形狀如同蝶形?？萍颊撐?，微帶天線?？萍颊撐模炀€。
圖1 蝶形微帶陣列天線結(jié)構(gòu)
二. 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果分析
制作的微帶陣列天線如圖2所示，天線的測(cè)量結(jié)果由R3765CH網(wǎng)絡(luò)分析儀給出?？萍颊撐?，微帶天線。圖3~5為微帶天線仿真與實(shí)測(cè)輻射模式?？萍颊撐?，微帶天線。仿真結(jié)果（虛線）與實(shí)測(cè)結(jié)果（實(shí)線）相對(duì)應(yīng)。從圖3~5中可以看出，仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果一致。陣列天線在5.3GHz時(shí)，E面的最大增益達(dá)到22.14dBi。良好的定向性能。所測(cè)天線在5.9GHz時(shí)H面半波束寬度達(dá)到最大，為105.44°，增益為6.53dBi。以上輻射模式結(jié)果表明在整個(gè)頻段內(nèi)天線具有較好的輻射效率，同時(shí)天線具有重量輕，低剖面，易于平面電路集成等特點(diǎn)。
圖2 陣列天線的照片
圖3遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式，f=5.3GHz
圖4 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式，f=5.5GHz
圖5 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射模式，f=5.9GHz
三. 總結(jié)
本文提出了一種16單元的蝶形振子陣列天線，所測(cè)天線在駐波比小于1.45時(shí)帶寬為5.3~5.9GHz?？萍颊撐?，微帶天線。天線在5.3GHz時(shí)E面的最大增益為22.14dBi，H面在5.9GHz時(shí)最大波束寬度為105.44°?？萍颊撐模炀€。測(cè)量結(jié)果表明該天線能夠滿足WiMAX頻段通信要求。
參考文獻(xiàn)
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論文(設(shè)計(jì))題目：
智能天線技術(shù)的基本原理及其music算法
指導(dǎo)教師：
論文(設(shè)計(jì))起止時(shí)間：
一、論文(設(shè)計(jì))研究背景與意義
智能天線是3g的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，作為當(dāng)今三大主流標(biāo)準(zhǔn)之一的td-scdma(time division-synchronous code division multiple access)是由中國(guó)自主提出使用的tdd方式的(時(shí)分雙工方式)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。td-—scdma的核心技術(shù)之一就是智能天線技術(shù)。在td-—scdma系統(tǒng)中使用智能天線技術(shù)，基站可以利用上行信號(hào)信息對(duì)下行信號(hào)進(jìn)行波束成形，從而降低對(duì)其他移動(dòng)臺(tái)的干擾，同時(shí)提高接收靈敏度，增加覆蓋距離和范圍，改善整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。
智能天線是一種多天線系統(tǒng)，它按照某種算法來(lái)對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)，使得期望信號(hào)得到最大增益，而干擾信號(hào)被壓制。 智能天線系統(tǒng)的核心在于數(shù)字信號(hào)處理部分，它根據(jù)一定的準(zhǔn)則，使天線陣產(chǎn)生定向波束指向移動(dòng)用戶，并自動(dòng)調(diào)整權(quán)系數(shù)以實(shí)現(xiàn)所需的空間濾波。智能天線需要解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：辨識(shí)信號(hào)到達(dá)方向doa(directions of arrinal)和數(shù)字波束賦形的實(shí)現(xiàn)。在對(duì)信號(hào)doa估計(jì)的算法中，作為超分辨空間譜估計(jì)技術(shù)的music(multiple signal classification)算法是最經(jīng)典的算法之一。
本文針對(duì)3g的需求背景，研究智能天線技術(shù)及doa估計(jì)算法。隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)迅速增長(zhǎng)和人們對(duì)通話質(zhì)量要求的不斷提高，要求移動(dòng)通信網(wǎng)在大容量下仍具有較高的話音質(zhì)量。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，智能天線可將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向doa(directions of arrinal)，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。同時(shí)，利用各個(gè)移動(dòng)用戶間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，使無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下，使用智能天線可滿足服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的需要。
其實(shí)就是一種多天線系統(tǒng)，它按照某種算法來(lái)對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)，使得期望信號(hào)得到最大增益，而干擾信號(hào)被壓制。因此需要知道期望信號(hào)到來(lái)的方向，即doa。music算法是經(jīng)典的用來(lái)估計(jì)波達(dá)方向的算法。
二、論文(設(shè)計(jì))的主要內(nèi)容
智能天線是一種安裝在基站現(xiàn)場(chǎng)的雙向天線，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元獲取方向性，并可以同時(shí)獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向特性。智能天線的原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向doa(direction of arrinal)，旁瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。
波達(dá)方向(doa,direction of arrival)估計(jì)是智能天線研究的一個(gè)重要方面,無(wú)論是上行多用戶信號(hào)的分離,還是下行選擇性發(fā)射,對(duì)用戶信號(hào)doa的測(cè)定,都成為智能天線實(shí)現(xiàn)指向性發(fā)射的必要前提。在對(duì)信號(hào)doa估計(jì)的算法中,作為超分辨空間譜估計(jì)技術(shù)的music(multiple signal classification)算法是最經(jīng)典的算法之一。本文主要介紹智能天線技術(shù)的基本原理，發(fā)展歷程，技術(shù)分類(lèi)，及智能天線對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)和主要用途。寫(xiě)出均勻線陣的統(tǒng)計(jì)模型，研究music算法的基本原理，用matlab仿真實(shí)本課題的主要研究?jī)?nèi)容如下：
(1)介紹智能天線技術(shù)的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀和技術(shù)分類(lèi);
(2)在均勻線陣的統(tǒng)計(jì)模型下研究智能天線技術(shù)的基本原理;
(3)重點(diǎn)研究music算法的基本原理，并用matlab仿真軟件實(shí)現(xiàn);
(4)分析music算法的估計(jì)精度，得出全文結(jié)論。
三、論文(設(shè)計(jì))的工作方案及進(jìn)度安排
第一階段(XX年9月7日-XX年10月11日)查閱有關(guān)智能天線技術(shù)，music算法和matlab仿真等方面的資料，關(guān)注國(guó)內(nèi)、外當(dāng)前的先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展前景，積累知識(shí)。
第二階段(10月12日-11月8日)對(duì)智能天線的工作原理進(jìn)行詳盡地分析，給出均勻線陣的統(tǒng)計(jì)模型，研究music算法的基本原理，學(xué)習(xí)用matlab實(shí)現(xiàn)仿真
第三階段(11月9日-11月22日)用matlab編寫(xiě)程序，程序調(diào)試
第四階段(11月23日-12月20日)整理資料，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)歷撰寫(xiě)論文，備戰(zhàn)論文答辯。
四、參考文獻(xiàn)
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五、指導(dǎo)教師意見(jiàn)
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
1. 前言為統(tǒng)一無(wú)線通信鐵塔在建設(shè)中土建專(zhuān)業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和改造措施，更好地指導(dǎo)現(xiàn)有多運(yùn)營(yíng)商之間的基礎(chǔ)設(shè)施共享的建設(shè)工作，特制定無(wú)線基站鐵塔改造指導(dǎo)原則?？萍颊撐摹?/p>
本指導(dǎo)原則主要內(nèi)容包括風(fēng)荷載計(jì)算原則、無(wú)線基站天線塔架改造原則。
2.風(fēng)荷載計(jì)算原則為確保天饋支撐系統(tǒng)的安全，科學(xué)、準(zhǔn)確地計(jì)算風(fēng)荷載，無(wú)線通信塔架的風(fēng)荷載計(jì)算應(yīng)遵循《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2001及《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50135-2006中的相關(guān)要求。
2.1計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：
1) 根據(jù)移動(dòng)通信天線的重要性和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，基本風(fēng)壓按50年一遇的風(fēng)壓采用。
2) 地面粗糙度類(lèi)別一般取C類(lèi)；遠(yuǎn)郊地區(qū)地面粗糙度類(lèi)別取B類(lèi)。
3) 考慮到通信天線的重要性和風(fēng)荷載的不確定性，對(duì)于天線塔架和建筑結(jié)構(gòu)相連接部位的連接措施，建議在計(jì)算的基礎(chǔ)上適當(dāng)加強(qiáng)。
4) 各類(lèi)典型天線規(guī)格（參考值）
隨著月球探測(cè)等深空探測(cè)工程的啟動(dòng)與成功實(shí)施，拉開(kāi)了我國(guó)深空探測(cè)的篇章。深空遠(yuǎn)距離的通信與導(dǎo)航定軌對(duì)深空網(wǎng)天線的性能提出新的要求。美國(guó)深空網(wǎng)（DSN）也明確指明了研究方向：采用射頻頻段的多天線組陣系統(tǒng)，天線組陣系統(tǒng)的一個(gè)研究重點(diǎn)就是天線之間的相對(duì)時(shí)間延遲估計(jì)。在較低信噪比下，它的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到輸出信號(hào)的合成效率。
將多個(gè)天線劃分為多個(gè)天線對(duì)，接著利用傳統(tǒng)時(shí)延估計(jì)方法對(duì)各天線對(duì)間的時(shí)延進(jìn)行估計(jì)，之后利用天線間的幾何關(guān)系對(duì)各天線對(duì)估計(jì)的時(shí)延進(jìn)行融合處理得到融合后的時(shí)延估計(jì)。此類(lèi)多天線時(shí)延估計(jì)方法中最為典型的方法：互功率相位譜系數(shù)相加方法。
1 系統(tǒng)模型與基本互相關(guān)算法
在被動(dòng)時(shí)間延遲估計(jì)問(wèn)題中，通常假定信號(hào)在信道中是以無(wú)色散球面波傳播的。為了便于分析和處理，常常將信導(dǎo)源和接收器考慮在同一平面內(nèi)，將三維空間簡(jiǎn)化為二維空間。在二維空間中，球面波退化為平面波。接收天線陣與目標(biāo)深空航天器百萬(wàn)千米的距離相比，則可認(rèn)為目標(biāo)航天器發(fā)出的遙測(cè)信號(hào)是以平面波方式傳播到接收天線陣的。
考慮如圖1所示的多天線系統(tǒng)，其中多天線系統(tǒng)由L+1個(gè)天線組成，所有天線的幾何位置關(guān)系已知，各天線的接收信號(hào)可以表示為xl[n]，l=0，1，…，L；不失一般性，以第0個(gè)天線作為時(shí)延估計(jì)的基準(zhǔn)。
信號(hào)模型可以表示為（1）
其中，s[n]表示未知的源信號(hào)，αl表示各個(gè)天線的衰減因子，τ表示第l個(gè)天線相對(duì)于第0個(gè)天線的時(shí)延，fl（τ）表示第l個(gè)天線相對(duì)于第0個(gè)天線的時(shí)延，xl[n]表示第l個(gè)天線的接收信號(hào)，wl[n]表示第l個(gè)天線的噪聲，l=0，1，…，L。
結(jié)合信號(hào)數(shù)據(jù)級(jí)融合思路，將基于雙天線的時(shí)延估計(jì)方法推廣到多天線信號(hào)的聯(lián)合時(shí)延估計(jì)。構(gòu)造除基準(zhǔn)天線外所有天線的融合信號(hào)x[n]，則
（2）
鑒于基本互相關(guān)函數(shù)思想，為了理論分析方便，假設(shè)各天線衰減系數(shù)αl=1?；鶞?zhǔn)信號(hào)x0[n] 與各天線融合后信號(hào)x[n]的互相關(guān)函數(shù)。
（3）
由互相關(guān)函數(shù)特性可化簡(jiǎn)為
（4）
則由自相關(guān)函數(shù)性質(zhì)可知，自相關(guān)函數(shù) 在m=τ，f2（τ），…，fl（τ）處會(huì)出現(xiàn)峰值點(diǎn)，而這些峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的就是個(gè)天線相對(duì)于基準(zhǔn)天線的時(shí)延值。
為了提高估計(jì)精度，可以在信號(hào)互相關(guān)運(yùn)算前進(jìn)行加權(quán)處理，使得基本互相關(guān)法變?yōu)閺V義相關(guān)法，來(lái)求得多天線的相對(duì)整數(shù)時(shí)延?；スβ首V法就是互相關(guān)法在頻域的表現(xiàn)形式，兩者是等價(jià)的，故亦可以用在多天線信號(hào)聯(lián)合時(shí)延估計(jì)。
2 多天線互功率譜法的算法分析
因?yàn)榛スβ氏辔蛔V穩(wěn)健，計(jì)算簡(jiǎn)潔，在時(shí)延估計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用?；スβ氏辔蛔V系數(shù)可以表示為
（5）
其中，si（n）和sj（n）表示第i根天線和第 j根天線接收到的信號(hào)，n和k都為時(shí)間索引。第i根天線和第j根天線之間的相對(duì)時(shí)延估計(jì)可以表示為
（6）
互功率相位譜系數(shù)相加方法就是將所有天線對(duì)計(jì)算所得的互功率相位譜系數(shù)直接相加，得到融合后的互功率相位譜系數(shù)，可以表示為
（7）
得到融合后的互功率相位譜系數(shù)后，即可以利用它估計(jì)時(shí)延，可以表示為
（8）
3 仿真分析
仿真條件說(shuō)明：N個(gè)線陣等距布置，觀測(cè)信號(hào)為射電星信號(hào)（高斯白噪聲），只考慮整數(shù)時(shí)延。
圖2為多天線信號(hào)在基本互相關(guān)法與廣義互相關(guān)法時(shí)延估計(jì)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)中選取了6路天線信號(hào)在信噪比為-2dB進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果顯示通過(guò)搜索各個(gè)譜峰，就可以得到5路天線相對(duì)于參考天線的相對(duì)時(shí)延。其中廣義相關(guān)法采用最大似然函數(shù)加權(quán)，通過(guò)加權(quán)的算法可以看出主譜峰突出，旁瓣相對(duì)幅度減小，算法性能明顯提升。
圖3示出了互功率相位譜系數(shù)相加方法在積分符號(hào)為1000情況下正確估計(jì)時(shí)延的概率（1000次蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到）；其中，紅線表示各天線對(duì)互功率相位譜系數(shù)相加后正確估計(jì)時(shí)延的概率（35個(gè)天線對(duì)互功率相位譜系數(shù)相加），藍(lán)線表示各個(gè)天線對(duì)正確估計(jì)時(shí)延的概率。
從圖2中可以看出，融合后正確估計(jì)時(shí)延的概率明顯高于單個(gè)天線對(duì)；當(dāng)信噪比為-15dB時(shí)，采用35個(gè)天線對(duì)互功率相位譜系數(shù)相加方法正確估計(jì)時(shí)延的概率大于0.8，而此時(shí)單個(gè)天線對(duì)正確估計(jì)時(shí)延的概率非常小。
圖3示出了互功率相位譜系數(shù)相加方法在積分符號(hào)為1000情況下時(shí)延估計(jì)的均方根誤差（1000次蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到）；其中，紅線表示各天線對(duì)互功率相位譜系數(shù)相加后時(shí)延估計(jì)的均方根誤差（35個(gè)天線對(duì)互功率相位譜系數(shù)相加），藍(lán)線表示各個(gè)天線對(duì)時(shí)延估計(jì)的均方根誤差。
從圖2中可以看出，融合后時(shí)延估計(jì)均方根誤差明顯低于單個(gè)天線對(duì)。
在信噪比為-20dB情況下，各天線對(duì)互功率相位譜系數(shù)相加后時(shí)延估計(jì)的誤差分布情況如圖5所示（1000次蒙特卡洛仿真實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到）。
從圖5中可以看出，在該仿真環(huán)境下，互功率相位譜系數(shù)相加方法得到的時(shí)延估計(jì)誤差（錯(cuò)誤估計(jì)情況下）近似呈均勻分布。
4 結(jié)束語(yǔ)
多天線時(shí)延估計(jì)方法首先將多個(gè)天線劃分為多個(gè)天線對(duì)，接著利用傳統(tǒng)時(shí)延估計(jì)方法對(duì)各天線對(duì)間的時(shí)延進(jìn)行估計(jì)，之后利用天線間的幾何關(guān)系對(duì)各天線對(duì)估計(jì)的時(shí)延進(jìn)行融合處理得到融合后的時(shí)延估計(jì)（可以理解為數(shù)據(jù)級(jí)融合處理）。相比于單個(gè)天線對(duì)，性能改善也較明顯；另外，多天線時(shí)延估計(jì)方法能夠方便地與現(xiàn)有天線組陣系統(tǒng)相融合以改善時(shí)延估計(jì)精度。
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作者簡(jiǎn)介
1概述
GPS導(dǎo)航系統(tǒng)能為陸、海、空、天的各類(lèi)軍民載體全天候、24小時(shí)連續(xù)提供高精度的三維位置、速度和精密時(shí)間信息，在軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于精確打擊武器制導(dǎo)、目標(biāo)偵察、C4ISR系統(tǒng)等。隨之在軍事作戰(zhàn)應(yīng)用中的推廣，它易于受到干擾的問(wèn)題日益顯現(xiàn)出來(lái)，在強(qiáng)干擾環(huán)境，其擴(kuò)頻增益不足以對(duì)干擾進(jìn)行抑制，需要采用各種抗干擾措施。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)干擾抑制能力的強(qiáng)弱已經(jīng)成為其能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵。
2 GPS導(dǎo)航系統(tǒng)干擾抑制技術(shù)
針對(duì)GPS的干擾有的是有意的，有的是無(wú)意的，主要包括其他無(wú)線電波（有源）、有影響的地理環(huán)境（多徑）、選擇可用性（SA）。
2.1有源干擾抑制技術(shù)
造成GPS容易受到有源干擾的原因是GPS接收端信號(hào)太弱，對(duì)有源干擾的抑制主要技術(shù)有：
① GPS衛(wèi)星優(yōu)化
主要包括提高衛(wèi)星信號(hào)的強(qiáng)度，改善碼結(jié)構(gòu)和在衛(wèi)星上使用一些新的抗干擾技術(shù)，如采用后向天線、增加新的軍用碼（M碼）、使用點(diǎn)波束發(fā)射方式等。
② 偽衛(wèi)星技術(shù)
利用裝載在無(wú)人機(jī)或地面上的虛擬機(jī)構(gòu)成虛擬的GPS星座轉(zhuǎn)發(fā)高功率加密GPS信號(hào)。如針對(duì)地面需求采用發(fā)射塔作為偽衛(wèi)星。
③ 頻域?yàn)V波技術(shù)
濾波技術(shù)使得GPS接收機(jī)不易受相對(duì)于GPS的兩個(gè)L波段頻帶外的強(qiáng)功率干擾。頻域?yàn)V波用于頻譜濾波，包括帶通濾波和帶阻濾波?？赏ㄟ^(guò)在GPS接收機(jī)和GPS天線間增加一個(gè)外圍濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，濾波過(guò)程還可采用自適應(yīng)數(shù)字濾波、VLSI技術(shù)等。
④ 時(shí)域?yàn)V波技術(shù)
時(shí)域?yàn)V波是在時(shí)域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)運(yùn)用數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)頻譜/逆譜區(qū)分，可通過(guò)在GPS接收機(jī)前端處理中增加一個(gè)嵌入塊實(shí)現(xiàn)或作為一個(gè)單獨(dú)的部分置入接收機(jī)之前。時(shí)域、頻域?yàn)V波技術(shù)能夠提供15—50dB抗干擾能力，但對(duì)寬帶干擾通常不佳。
⑤ 調(diào)零天線技術(shù)
調(diào)零技術(shù)通常使用微帶圓形天線陣或隙縫部件對(duì)干擾源方向上的自適應(yīng)調(diào)零，以達(dá)到有效的定向壓制。自適應(yīng)調(diào)零天線是一個(gè)多元天線陣，陣中各天線與微波網(wǎng)絡(luò)、處理器相連，處理器通過(guò)對(duì)微波網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)處理來(lái)調(diào)整微波網(wǎng)絡(luò)，使各陣元的增益合成相位發(fā)生變化，從而在天線陣元方向圖中產(chǎn)生對(duì)著干擾源方向的零點(diǎn)，以降低干擾效果。
⑥ 極化調(diào)零抗干擾技術(shù)
極化調(diào)零抗干擾技術(shù)是一種單孔徑技術(shù)，利用電場(chǎng)矢量對(duì)消來(lái)消除干擾信號(hào)。其實(shí)現(xiàn)是使用一個(gè)探測(cè)和跟蹤/控制通道來(lái)識(shí)別和跟蹤干擾信號(hào)的相位和幅度，再用一個(gè)混合連接對(duì)消電路實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合接收信號(hào)中干擾信號(hào)的抵消。極化調(diào)零技術(shù)根據(jù)類(lèi)似的干擾源產(chǎn)生一個(gè)極化非匹配和調(diào)整，能明顯提高右旋極化GPS信號(hào)與干擾之間的抗干擾比。免費(fèi)論文。
⑦ GPS干擾源檢測(cè)和定位技術(shù)[3]
采用A—D頻段精確目標(biāo)捕獲系統(tǒng)對(duì)阻斷或干擾GPS的信號(hào)進(jìn)行截獲、定位，并搜集有關(guān)干擾源的詳細(xì)信息，以采用相應(yīng)的保護(hù)措施。
【Abstract】This article presents the Nanjing University of Posts and Telecommunications spherical near-field antenna measurement system management and sharing mechanism. By the collaboration between different disciplines， the utilization of the advanced experimental platform is improved and the effective management system and efficient operation mode are formed. The research supports the construction of other large scientific research platform and provides beneficial management experience for the construction of specialized laboratory. Through exploring the equipment management mechanism， the efficiency of the management level and equipment usage not only is improved， but also the normal operation can be maintained effectively. The students and teachers' scientific research work can get strong support.
【Key words】Personal responsibility and sharing usage； Spherical Near-field Antenna Measurements system； Instrument sharing
0 前言
先進(jìn)的大型科研儀器設(shè)備是高校的重要資源，在高層次人才培養(yǎng)、高水平品科研工作的開(kāi)展過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1-6]。如何管理并使用好大型科研儀器，使得其不僅在科研方面同時(shí)在日常教學(xué)中發(fā)揮更大的作用，是衡量高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理水平的重要標(biāo)志[7-8]。天線球面近場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室是我校第一個(gè)全自動(dòng)的專(zhuān)業(yè)天線測(cè)量平臺(tái)，為通信與信息系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)等多個(gè)專(zhuān)業(yè)的師生提供了優(yōu)良的工作條件，它能天線和天線陣列進(jìn)行精確測(cè)量，快速獲取方向圖、增益、效率、極化等關(guān)鍵輻射性能指標(biāo)參數(shù)，而且界面友好、操作簡(jiǎn)單，徹底改變了過(guò)去相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生采用人工或半自動(dòng)方法測(cè)量天線輻射特性參數(shù)、效率很低、測(cè)量精度有限且工作量巨大的艱苦局面，數(shù)十倍地提高了工作效率，使相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生從持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高、體力消耗大的重復(fù)測(cè)試工作中完全解放出來(lái)，集中精力提高教學(xué)和科研水平。
1 天線球面近場(chǎng)專(zhuān)管共用機(jī)制作用
1.1 研究型教學(xué)模式的建立、實(shí)踐和優(yōu)化
依托天線球面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，管理人員編撰了相應(yīng)的操作手冊(cè)，為通信與信息系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)跨學(xué)院的碩士研究生開(kāi)設(shè)了“無(wú)線通信中的天線測(cè)量技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程，進(jìn)一步優(yōu)化了天線專(zhuān)業(yè)課程的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生既能驗(yàn)證經(jīng)典天線的輻射特性，又能自行研制新型天線并進(jìn)行快速測(cè)量和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還能支持他們參加射頻電路設(shè)計(jì)競(jìng)賽。上述舉措，對(duì)內(nèi)促進(jìn)不同學(xué)科研究水平的提高、充分發(fā)揮設(shè)備共享效果， 對(duì)外展示相關(guān)專(zhuān)業(yè)的研究生教學(xué)水平，充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，進(jìn)而促進(jìn)高水平研究論文、教材和專(zhuān)著的發(fā)表。在實(shí)施過(guò)程中，管理人員和主要參加者還以新一代寬帶移動(dòng)通信、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別、穿戴式系統(tǒng)為應(yīng)用背景，結(jié)合自身承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)等國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，指導(dǎo)通信學(xué)科和電磁場(chǎng)學(xué)科的博士、碩士研究生在0.8-6GHz頻段上研制各種新型天線單元和陣列，研制了1.7-2.7GHz/5-5.9GHz頻段的雙頻雙極化寬帶定向天線、小型雙頻段WLAN寬帶定向天線、TD-LTE頻段全向雙極化天線、5.8GHz頻段平面端射特性圓極化天線、多模寬帶手持機(jī)天線、雙輻射模開(kāi)槽天線等多種新型天線單元，提出了多種新型天線設(shè)計(jì)方法，獲得了豐富的原創(chuàng)科研成果。在該機(jī)制的實(shí)施和實(shí)踐過(guò)程中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人始終立足于課程教學(xué)、人才培養(yǎng)和團(tuán)隊(duì)磨合的目標(biāo)，依托國(guó)家科研項(xiàng)目和先進(jìn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支持，實(shí)現(xiàn)了理論教學(xué)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)與科學(xué)研究、工程實(shí)踐之間的良性互動(dòng)、彼此促進(jìn)和補(bǔ)充完善，逐步形成了“課堂教學(xué)與理論分析-工程設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證” 相結(jié)合、教學(xué)科研相長(zhǎng)的研究型教學(xué)模式。教師通過(guò)直接指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)天線和實(shí)際操作測(cè)試平臺(tái)，一方面強(qiáng)化學(xué)生對(duì)課程基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握，另一方面又能增進(jìn)教師、師生、學(xué)生之間的溝通和交流，充分實(shí)現(xiàn)教師、師生、學(xué)生之間在科研過(guò)程中的逐步磨合，不斷發(fā)現(xiàn)研究探索過(guò)程中的疑難問(wèn)題并及時(shí)解決之，同時(shí)提高師生雙方的工作效率，促使師生相互配合、相互促進(jìn)，從而不斷優(yōu)化教學(xué)方法和科研模式，達(dá)到既能全面提高教學(xué)質(zhì)量、又能提升科研業(yè)務(wù)水平的良好效果。
1.2 支持不同學(xué)校學(xué)科的平臺(tái)建設(shè)
天線球面近場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室是江蘇省無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)室（歸屬于“信息與通信工程”一級(jí)學(xué)科）的重要組成部分。通過(guò)探索“共有平臺(tái)、不同學(xué)科”之間的設(shè)備管理機(jī)制，不僅提高了管理水平和設(shè)備的使用效率，有效維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、充分發(fā)揮其效能，而且還為我校省級(jí)射頻與微納電子學(xué)科綜合訓(xùn)練中心（歸屬于“電子科學(xué)與技術(shù)”一級(jí)學(xué)科）的建設(shè)提供了有力支持。在學(xué)生培養(yǎng)方面，電子科學(xué)工程學(xué)院、與通信工程學(xué)院、教務(wù)處三方協(xié)調(diào)，通過(guò)預(yù)約、課程設(shè)置等方式安排該試驗(yàn)系統(tǒng)的使用。在完善的設(shè)備管理基礎(chǔ)之上，該實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)校內(nèi)外師生、科研與生產(chǎn)單位開(kāi)放，滿足科研與教學(xué)活動(dòng)需要，最大限度提高設(shè)備的利用率，充分發(fā)揮該平臺(tái)的功能輻射作用。使該平臺(tái)成為我校射頻與微納電子學(xué)科綜合訓(xùn)練中的子平臺(tái)之一。通過(guò)利用該平臺(tái)針對(duì)電磁場(chǎng)與無(wú)線技術(shù)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)等本科和研究生專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，開(kāi)設(shè)相應(yīng)的微波與天線測(cè)量、電磁兼容、等課程和多門(mén)實(shí)驗(yàn)課程，同時(shí)開(kāi)展課程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等綜合實(shí)踐教學(xué)工作，進(jìn)而鼓勵(lì)學(xué)生在這個(gè)平臺(tái)上完成創(chuàng)新研究和科學(xué)研究項(xiàng)目。借助于該平臺(tái)，學(xué)生可以在兩個(gè)學(xué)院的教師的共同指導(dǎo)下完成射頻微波電路設(shè)計(jì)、射頻器件測(cè)量、天線設(shè)計(jì)與測(cè)試流程，掌握射頻與天線技術(shù)的一般設(shè)計(jì)方法、仿真與優(yōu)化手段、現(xiàn)代微波測(cè)量技術(shù)，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練學(xué)生可以具備一名射頻微波與天線工程師的基本素養(yǎng)。2014年在我校成功申請(qǐng)電子科學(xué)與技術(shù)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的過(guò)程中，基于該測(cè)試系統(tǒng)的教學(xué)成果作為天線與電波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)成果的重要組成部分。
2 天線球面近場(chǎng)專(zhuān)管共用機(jī)制作用解決的主要問(wèn)題
2.1 解決了相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生教學(xué)中只有理論授課、缺少實(shí)踐環(huán)節(jié)的問(wèn)題
縱觀國(guó)內(nèi)研究生天線類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，一直是以理論授課為主，過(guò)去只有少數(shù)重點(diǎn)院校有能力開(kāi)設(shè)配套的實(shí)驗(yàn)操作課程。特別是天線輻射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，通常只對(duì)電子、雷達(dá)、無(wú)線電物理等專(zhuān)業(yè)而設(shè)定，在通信類(lèi)專(zhuān)業(yè)中尚未見(jiàn)有報(bào)道。為了提高教學(xué)水平，增強(qiáng)學(xué)生的科研實(shí)踐能力，特別是充分發(fā)揮先進(jìn)科研平臺(tái)在研究生教學(xué)中的作用，必須開(kāi)設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程。利用天線球面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，為通信與信息系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的碩士研究生開(kāi)設(shè)了“無(wú)線通信中的天線測(cè)量技術(shù)”課程，改變了我校在以往相關(guān)課程教學(xué)中，只有理論授課而缺少動(dòng)手操作環(huán)節(jié)或?qū)嵺`環(huán)節(jié)少且操作復(fù)雜度過(guò)高的情況。通過(guò)操作天線球面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，學(xué)生可以地直觀驗(yàn)證教材中各種經(jīng)典天線的輻射特性，加深對(duì)天線基本參數(shù)、基礎(chǔ)天線理論知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，從而逐步從理性上定量了解天線的工作機(jī)理，走出過(guò)去對(duì)天線專(zhuān)業(yè)課程“全是抽象數(shù)學(xué)符號(hào)和公式推導(dǎo)”的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，產(chǎn)生和增加學(xué)習(xí)興趣。在此基礎(chǔ)上，還可以吸引有潛力的學(xué)生參加教師的科學(xué)研究，幫助解決科研項(xiàng)目中的天線分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。利用天線球面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，能夠快速驗(yàn)證研究過(guò)程隨時(shí)出現(xiàn)中的各種新點(diǎn)子、新想法，逐步培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立從事天線領(lǐng)域科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)的能力。
2.2 解決了相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生和教師的科研工作平臺(tái)條件問(wèn)題，為科研項(xiàng)目的順利開(kāi)展提供有力支持
天線球面近場(chǎng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室是我校第一個(gè)全自動(dòng)的專(zhuān)業(yè)天線測(cè)量平臺(tái)，為通信與信息系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的師生提供了優(yōu)良的工作條件，它能對(duì)0.8-6GHz頻段、尺寸不大于45厘米的天線和天線陣列進(jìn)行精確測(cè)量，快速獲取方向圖、增益、效率、極化等關(guān)鍵輻射性能指標(biāo)參數(shù)，而且界面友好、操作簡(jiǎn)單，徹底改變了過(guò)去相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生采用人工或半自動(dòng)方法測(cè)量天線輻射特性參數(shù)、效率很低、測(cè)量精度有限且工作量巨大的艱苦局面，數(shù)十倍地提高了工作效率，使相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生從持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高、體力消耗大的重復(fù)測(cè)試工作中完全解放出來(lái)，集中精力提高教學(xué)和科研水平。在先進(jìn)天線測(cè)量平臺(tái)的支持下，負(fù)責(zé)人于2013年獲得了江蘇省高校自然科學(xué)重大研究A類(lèi)資助項(xiàng)目，2014年又獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目。目前，課題負(fù)責(zé)人正在圍繞新一代移動(dòng)通信、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別和穿戴式系統(tǒng)等不同應(yīng)用，與不同學(xué)科的師生合作，開(kāi)展更深層次、更高水平的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
2.3 解決了提高相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生教學(xué)科研水平的問(wèn)題
通過(guò)該平臺(tái)的共管與共享，不僅顯著地提高了相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生研究工作的速度、效率和質(zhì)量，還極大地提高了學(xué)生對(duì)天線專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)興趣，吸引更多有潛力、有志于從事天線理論與技術(shù)研究的學(xué)生主動(dòng)參加到教師的科研實(shí)踐中，形成了濃厚的學(xué)術(shù)研究氛圍，顯著提升了研究生的教學(xué)質(zhì)量和教師的科研水平，為我國(guó)通信行業(yè)培養(yǎng)了理論水平高、動(dòng)手能力強(qiáng)、工程經(jīng)驗(yàn)豐富、滿足不同層次需求的天線專(zhuān)業(yè)人才。得益于先進(jìn)工作平臺(tái)的支撐，相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生在天線方面的科研實(shí)踐持續(xù)不斷，一系列全新的研究思想、設(shè)計(jì)方法與工程設(shè)計(jì)方案得以快速驗(yàn)證和優(yōu)化實(shí)現(xiàn)，從而催生出一系列高水平的原創(chuàng)性研究成果。實(shí)驗(yàn)室建成后，相關(guān)專(zhuān)業(yè)師生已出版專(zhuān)著1部，申請(qǐng)了十余項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利（其中5項(xiàng)已獲得授權(quán)），而且還在天線與傳播領(lǐng)域的國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物與會(huì)議上發(fā)表或錄用了近30篇研究論文（其中近一半被SCI收錄），7篇發(fā)表在IEEE Trans. Antennas & Propagation，IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters等頂級(jí)刊物上，得到了國(guó)內(nèi)外同行的多次引用和關(guān)注。
3 天線球面近場(chǎng)專(zhuān)管共用機(jī)制實(shí)踐過(guò)程及推廣應(yīng)用價(jià)值
在專(zhuān)管共用的實(shí)踐過(guò)程中，負(fù)責(zé)人首先為通信與信息系統(tǒng)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)的碩士研究生講授了“移動(dòng)通信中的天饋技術(shù)與應(yīng)用”理論課程，然后依托天線球面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，開(kāi)設(shè)了配套的“無(wú)線通信中的天線測(cè)量技術(shù)”實(shí)驗(yàn)課程，通過(guò)48學(xué)時(shí)的課堂教學(xué)和實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生進(jìn)行了完整的科研訓(xùn)練，為學(xué)生從事天線專(zhuān)業(yè)方向的科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)管理人員一方面指導(dǎo)自己的碩士研究生展開(kāi)科學(xué)研究，另一方面積極配合電磁場(chǎng)學(xué)科的教師，協(xié)同指導(dǎo)從事相關(guān)專(zhuān)業(yè)方向工作的碩士研究生，依托天線球面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，圍繞新一代移動(dòng)通信、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別、穿戴式系統(tǒng)等應(yīng)用背景，在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)等國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目的資助下，研究新型天線的設(shè)計(jì)理論和方法，在小型天線、寬帶天線、多頻段天線、圓極化天線等不同領(lǐng)域內(nèi)展開(kāi)全面探索。本課題發(fā)表的3篇研究論文均發(fā)表在國(guó)際和國(guó)內(nèi)重要學(xué)術(shù)刊物上，其中2篇被SCI收錄（源）的研究論文，主要作者均為課題負(fù)責(zé)人指導(dǎo)的碩士研究生；課題負(fù)責(zé)人和主要成員還出版了專(zhuān)著1部、獲授權(quán)了3項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，說(shuō)明通過(guò)對(duì)先進(jìn)天線測(cè)量平臺(tái)的有效管理和使用，不僅對(duì)提高我校相關(guān)專(zhuān)業(yè)碩士研究生的教學(xué)水平、科研能力有顯著促進(jìn)作用，而且取得了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列成果，獲得了國(guó)際和國(guó)內(nèi)同行的充分認(rèn)可，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際同等先進(jìn)水平。另一方面，通過(guò)探索本實(shí)驗(yàn)室的共管使用機(jī)制，為不同學(xué)科、從事相似研究方向的教師提供了充分磨合、相互配合的良機(jī)，為我校省級(jí)射頻與微納電子學(xué)科綜合訓(xùn)練中心的建設(shè)提供了有力支撐，產(chǎn)生了“1+1>2”的效果，說(shuō)明通過(guò)對(duì)先進(jìn)天線測(cè)量平臺(tái)的有效管理和使用，已經(jīng)為今后課程與平臺(tái)建設(shè)、科研成果轉(zhuǎn)化等后續(xù)工作奠定了良好的工作基礎(chǔ)。
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摘 要：文章以礦井瞬變電磁法的扇形觀測(cè)系統(tǒng)在錢(qián)營(yíng)孜煤礦西風(fēng)井掘進(jìn)巷道中的應(yīng)用為例，分析了礦井瞬變電磁法在煤礦水文地質(zhì)方面工作的作用，也闡述了扇形觀測(cè)系統(tǒng)與常規(guī)的觀測(cè)系統(tǒng)相比的優(yōu)點(diǎn)。為礦井瞬變電磁方法的發(fā)展及在礦井水文地質(zhì)工作中的推廣做出了一定的貢獻(xiàn)。
關(guān)鍵詞 ：礦井瞬變電磁；扇形觀測(cè)系統(tǒng)；水文地質(zhì)；數(shù)據(jù)采集
中圖分類(lèi)號(hào)：TD6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-8772（2014）13-0203-01
1 礦井瞬變電磁法的基本原理
瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法。其探測(cè)原理是：在發(fā)送回線上供一個(gè)電流脈沖方波，在方波后沿下降的瞬間，產(chǎn)生一個(gè)向回線法線方向傳播的一次磁場(chǎng)，在一次磁場(chǎng)的激勵(lì)下，地質(zhì)體將產(chǎn)生渦流，其大小取決于地質(zhì)體的導(dǎo)電程度，在一次場(chǎng)消失后，該渦流不會(huì)立即消失，它將有一個(gè)過(guò)渡（衰減）過(guò)程，該過(guò)渡過(guò)程又產(chǎn)生一個(gè)衰減的二次磁場(chǎng)向掌子面?zhèn)鞑?，由接收回線接收二次磁場(chǎng)，該二次磁場(chǎng)的變化將反映地質(zhì)體的電性分布情況。如按不同的延遲時(shí)間測(cè)量二次感生電動(dòng)勢(shì)V（t），就得到了二次磁場(chǎng)隨時(shí)間衰減的特性曲線。如果沒(méi)有良導(dǎo)體存在時(shí)，將觀測(cè)到快速衰減的過(guò)渡過(guò)程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時(shí)，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場(chǎng)的切斷，所觀測(cè)到的過(guò)渡過(guò)程衰變速度將變慢，從而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的存在。瞬變電磁場(chǎng)在大地中主要以“煙圈“擴(kuò)散形式傳播，在這一過(guò)程中，電磁能量直接在導(dǎo)電介質(zhì)中傳播而消耗，由于趨膚效應(yīng)，高頻部分主要集中在地表附近，且其分布范圍是源下面，較低頻部分傳播到深處，且分布范圍逐漸擴(kuò)大[1-8]。
2 井下觀測(cè)系統(tǒng)布置
本次探測(cè)主要是探測(cè)巷道順層前方、頂板、底板的富水性，所以在測(cè)點(diǎn)上共布置三個(gè)探測(cè)方向，一個(gè)是線圈平面方向是平行巷道掌子面朝法線方向探測(cè)，一個(gè)方向是斜上45°方向探測(cè)巷道傾頂板方向，一個(gè)是斜下45°方向探測(cè)巷道傾底板方向。西三軌道山上山巷道迎頭立面較小，礦井瞬變電磁法的發(fā)射和接收線圈的幾何尺寸受到的一定的制約?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)布置時(shí)只能采用多匝小回線的發(fā)射和接收裝置形式，即邊長(zhǎng)為2m。測(cè)點(diǎn)布置在巷道迎頭里面附近，從巷道迎頭左側(cè)開(kāi)始，左右兩側(cè)各布置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)處在豎直方向上采集3組數(shù)據(jù)，依此為超前頂板、超前順層、超前底板，其中頂板和順層方向數(shù)據(jù)采集時(shí)天線法線方向約與迎頭立面成45°，順層方向天線與迎頭立面垂直。本次探測(cè)是軌道迎頭前方的電阻率變化情況，巷道設(shè)計(jì)在停頭位置做相應(yīng)的變化，即在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)天線，使天線的法線方向與巷道的左側(cè)分別成60°、30°、45°和90°的夾角進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)天線的法線方向與巷道迎頭界而垂直時(shí)，根據(jù)其主迎頭斷面的寬度布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)；到巷道迎頭右側(cè)時(shí)類(lèi)似左側(cè)方法分別成90°、30°、45°和60°的夾角進(jìn)行探測(cè)、右?guī)筒贾?個(gè)測(cè)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)從多個(gè)角度采集數(shù)據(jù)，稱之為“扇形”測(cè)深系統(tǒng)技術(shù)。
3 結(jié)果解析及結(jié)論
由圖1可見(jiàn)迎頭前方的視電阻率剖面，從觀測(cè)系統(tǒng)中可以看出，本次探測(cè)的所有測(cè)點(diǎn)均分布在巷道平面上，為重點(diǎn)解釋區(qū)域；本次實(shí)際探測(cè)掘進(jìn)巷道迎頭前方100m，解釋迎頭前方80m，盲區(qū)20 m。針對(duì)前方探測(cè)結(jié)果解釋如下：
（1）掌子面前方20-40m段范圍內(nèi)頂板、順層與底板的視電阻率值較高，相對(duì)較高，該段巖性變化不大，不存在低阻異常；
（2）掌子面前方40-60m段范圍內(nèi)頂板、順層與底板的視電阻率值均有所降低，與迎頭相比電阻率存在變化，相比巖性有所變化，注意支護(hù)；
（3）60m-100m左右，視電阻率的結(jié)果跳躍較大，特別是巷道的左上方及前方，推測(cè)是存在構(gòu)造或者是破碎帶，掘進(jìn)到此處時(shí)請(qǐng)注意支護(hù)與超前鉆孔探放水，以探查引起視電阻率變化的地質(zhì)原因；
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射頻識(shí)別（Radio Frequency Identifi-cation，RFID）是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展迅速，已廣泛用于很多領(lǐng)域。RFID標(biāo)簽支持快速讀寫(xiě)，多目標(biāo)識(shí)別，非視距識(shí)別，移動(dòng)定位及長(zhǎng)期跟蹤管理。超高頻標(biāo)簽通常在 860MHz ～ 960MHz頻率下工作，具有作用距離遠(yuǎn)（通常是3m～ 10m），通信速度快，成本低的優(yōu)點(diǎn)，是目前RFID產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)，并有望在未來(lái)成為主流技術(shù)。
1 UHF RFID現(xiàn)狀
1.1 國(guó)際現(xiàn)狀
RFID 工作在發(fā)達(dá)國(guó)家起步比較早，發(fā)展水平也比較高，無(wú)論是技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)鏈，還是應(yīng)用方面都已發(fā)展得相對(duì)完備，在發(fā)達(dá)國(guó)家，RFID 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為 IC、IT產(chǎn)業(yè)炙手可熱的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)技術(shù)。首先在芯片技術(shù)方面，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)具備了相對(duì)完整的產(chǎn)品線，并且在技術(shù)和市場(chǎng)不斷的發(fā)展和完善等力量的推動(dòng)下，電子標(biāo)簽工藝的提升，技術(shù)的進(jìn)步，使其成本不斷降低，應(yīng)用發(fā)展進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段。Alien公司的0類(lèi)設(shè)計(jì)和Matrics公司的1 類(lèi)設(shè)計(jì)奠定了第一代RFID標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，相對(duì)于第一代標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講，EPC 第二代標(biāo)簽芯片具有很多優(yōu)勢(shì)，它的中心頻率為900MHz 頻段，大大提高了識(shí)別速率，可以達(dá)到500到1500標(biāo)簽/秒；反向散射數(shù)據(jù)速率可以從每秒數(shù)十bit提高到650kbps；掃描范圍提高到30英尺。如今已經(jīng)在市場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)了更多優(yōu)異性能的UHF 第二代RFID標(biāo)簽芯片，如Impinj公司的 Monza 4 RFID標(biāo)簽芯片的系列產(chǎn)品已達(dá)到了更先進(jìn)的水平，其優(yōu)異的性能主要表現(xiàn)在可以擴(kuò)展的內(nèi)存選項(xiàng)、創(chuàng)新的保密功能、良好的抗干擾能力、業(yè)界領(lǐng)先的靈敏度指標(biāo)。
在學(xué)術(shù)方面，近年來(lái)頂尖的國(guó)際集成電路會(huì)議和集成電路期刊發(fā)表了越來(lái)越多關(guān)于 RFID芯片技術(shù)的論文，國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)會(huì)議和國(guó)際RFID 會(huì)議也變得異常令人矚目，成為全球致力于RFID技術(shù)領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)和從業(yè)人員交流最新成果與進(jìn)展的良好平臺(tái)。
在工業(yè)方面，Impinj公司等 RFID 公司不斷取得技術(shù)進(jìn)步，材料和工藝創(chuàng)新，使得芯片的技術(shù)性能大幅提高的同時(shí)，其成本不斷降低，使市場(chǎng)不斷地成熟，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)不斷進(jìn)步和升級(jí)，相信在未來(lái)的時(shí)間，隨著該產(chǎn)業(yè)公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)技術(shù)進(jìn)步和革新的追求，芯片造價(jià)不斷降低，性能的紀(jì)錄不斷被刷新，眾多新技術(shù)與新應(yīng)用被不斷開(kāi)發(fā)與推廣。
1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)從事RFID產(chǎn)業(yè)的公司生產(chǎn)規(guī)模都不大，生產(chǎn)成本比較高，在眾多的全國(guó)RFID企業(yè)中，絕大多數(shù)為各種、外企分支機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)集成與應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)企業(yè)，真正從事RFID核心技術(shù)開(kāi)發(fā)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的企業(yè)寥寥無(wú)幾，這是我國(guó)RFID產(chǎn)業(yè)鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)。針這樣的現(xiàn)狀和形勢(shì)，科技部在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）的重大項(xiàng)目已經(jīng)明確把“射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)與應(yīng)用”列入，把UHF RFID的工作頻段劃分了840MHz～845MHz和920MHz～925MHz兩個(gè)頻段，2012年出臺(tái)了基于ISO/IEC18000-6的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)我國(guó)電子標(biāo)簽的發(fā)展起到了非常重要的作用。
雖然與國(guó)外RFID芯片設(shè)計(jì)水平存在很大的差距，但是我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)和制造業(yè)在近些年來(lái)也取得了令人矚目的發(fā)展和成就。在RFID芯片方面，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自主設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi) RFID設(shè)計(jì)公司主要有北京清華同方集成電路設(shè)計(jì)公司、上海華虹集成電路設(shè)計(jì)公司、上海復(fù)旦微電子公司等。在芯片制造方面，諸如復(fù)旦微電子、上海華虹、上海貝嶺等優(yōu)秀企業(yè)都具有大規(guī)模生產(chǎn) RFID芯片的能力。
2 UHF RFID發(fā)展趨勢(shì)
2.1 與傳感器相結(jié)合
近年來(lái)，研究的熱點(diǎn)集中在RFID 技術(shù)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，Wireless Sensor Networks）的結(jié)合方面，冷鏈物流的興起更是為內(nèi)嵌溫度傳感器的RFID標(biāo)簽的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展機(jī)遇和空間。
帶有溫度傳感器的標(biāo)簽已經(jīng)在很多論文中出現(xiàn)，而且市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了這類(lèi)成品標(biāo)簽。適用于RFID的溫度傳感器設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于保證溫度范圍和精度的條件下使功耗控制在幾個(gè)微瓦，甚至幾百個(gè)納瓦之內(nèi)。目前的溫度傳感器，如果不采用校準(zhǔn)，誤差都是比較大的，因此，一般在RFID標(biāo)簽中采用的溫度傳感器都會(huì)采用校準(zhǔn)技術(shù)，采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)的比較多，這樣又增加了標(biāo)簽的成本和復(fù)雜程度。
一些論文中雖然提到過(guò)在RFID標(biāo)簽中集成光傳感器，但是在實(shí)際中很難做到，主要問(wèn)題在于光敏器件與工藝很難兼容，標(biāo)簽的封裝對(duì)光線進(jìn)入光敏器件的影響難以估計(jì)。但是相信隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，封裝技術(shù)的改進(jìn)和工藝的完善，光傳感器也許在不遠(yuǎn)的將來(lái)就會(huì)在RFID標(biāo)簽芯片中實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于壓力傳感器和濕度傳感器，也存在著類(lèi)似于光傳感器一樣的問(wèn)題，而且相關(guān)的研究幾乎還沒(méi)有展開(kāi)。
2.2 片上天線
采用和集成電路芯片相同的材料和工藝制作而成的天線叫做片上天線（On-Chip Antenna， OCA）。片上天線可以分為兩種：第一種片上天線與電路芯片處在同一個(gè)硅襯底上，是真正意義上的片上天線，也稱為片內(nèi)天線；第二種片上天線與電路芯片不在同一硅襯底上，但被封裝在同一個(gè)管殼內(nèi)，也可以稱做封裝天線。
片上天線的設(shè)計(jì)和制作受到面積限制、工藝限制和干擾限制，天線的尺寸依據(jù)半波長(zhǎng)或 1/4波長(zhǎng)，通常芯片的尺寸小于該尺寸，要使天線尺寸盡量少受封裝面積和芯片的約束，就要求天線工作頻率不能太低，目前已有的關(guān)于RFID 片上天線多集中在HF、UHF和 MW頻段。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn) CMOS 材料和工藝，低金屬電導(dǎo)率、硅互連金屬尺寸、高介電常數(shù)和低阻硅襯底等方面的因素，都會(huì)對(duì)片上天線的性能產(chǎn)生一定的影響。由于硅器件結(jié)構(gòu)和芯片面積等因素的制約，RFID片上天線的增益、方向性等性能，都要比片外天線低，但對(duì)于單品的近距離應(yīng)用，是可以接受的。
與常規(guī)天線相比，片上天線具有自身優(yōu)點(diǎn)：天線以及天線和芯片的連接都在芯片或封裝內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，可以大大減小無(wú)線終端產(chǎn)品的體積，減輕產(chǎn)品的重量，并使產(chǎn)品的重復(fù)性和可靠性得到提高。天線與芯片在生產(chǎn)過(guò)程中一次生產(chǎn)出來(lái)，可以大幅度降低規(guī)模生產(chǎn)下的產(chǎn)品成本。
2.3 大容量存儲(chǔ)器
由于受到芯片面積和功耗的限制，芯片中的存儲(chǔ)器一般都比較小，普通的標(biāo)簽以512bit和1Kbit的最常見(jiàn)。但是用戶希望的是大容量存儲(chǔ)器，能夠攜帶更多信息的標(biāo)簽對(duì)用戶而言無(wú)疑更具有吸引力。在這種市場(chǎng)的推動(dòng)下，大容量低功耗的存儲(chǔ)器已經(jīng)面世，目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了16Kbit、32Kbit甚至64Kbit存儲(chǔ)器的UHF RFID標(biāo)簽。相信隨著更深入的研究，更大容量更低功耗的存儲(chǔ)器會(huì)被開(kāi)發(fā)出來(lái)并應(yīng)用在UHF RFID標(biāo)簽中。
3 結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)UHF RFID國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀做了簡(jiǎn)單介紹，并根據(jù)目前市場(chǎng)以及最新研究論文，對(duì)UHF RFID未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做了總結(jié)，得出了與傳感器相結(jié)合、片上天線和大容量存儲(chǔ)器三個(gè)方向?qū)⒊蔀閁HF RFID發(fā)展熱點(diǎn)的結(jié)論。
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作者簡(jiǎn)介
