移动通信中天线系统的挑战及天线自动设计技术

在当代移动通信中，天线系统面临着小型化、宽频带、多天线集成等一系列挑战，这也促进天线设计技术的进步。利用优化算法和天线数值计算方法实现对天线结构的自动设计（Automated Design）是一种全新的天线设计技术，也是现代天线发展的一个重要趋势，为应对移动通信中天线系统的挑战提供了可力的手段。经过多年研究工作，我们采用遗传算法（Genetic Algorithms）和并行计算技术编写了一套天线自动设计软件系统－“金沙”软件系统。该软件系统已成功地对多类复杂结构天线进行了计算机辅助的天线自动设计，显示出比传统天线设计方法更大的灵活性和更强的设计能力。
关键字：天线自动设计；遗传算法；并行计算；移动通信

一、移动通信中天线系统面临的挑战
天线作为移动通信系统的一部分，其性能的优劣对通信质量有极为重要影响。近年来，随着无线通信技术的发展，特别是高速数据传输系统以及宽带无线系统的发展，要求天线具有更宽的带宽。同时微电子技术与大规模集成电路迅猛发展，使移动通讯设备，特别是终端设备越来越小型化，天线成为设备中庞大、笨重部件的问题日渐突出。
同时，移动通信设备的功能越来越强大。例如移动通信终端－手机，往往要求其天线系统必须要同时覆盖众多的工作频段，如满足GSM、DCS、PCS、UMTS、WiBro、 Bluetooth、WLAN、GPS、Wifi等通信需求。这需要在手机狭小空间内设计多天线集成系统，同时要避免天线之间能量耦合和干扰造成天线性能恶化。
移动通信对天线系统提出的小型化、高效率、宽工作频带、多天线集成、高可靠性和成本低等一系列要求，对天线设计提出了严峻的挑战。应用这种挑战，不但是中国，也是全世界天线设计者面临的共同难题。
传统的天线设计方法或者基于对理想或简化天线模型的理论分析，或者依据已有的工程经验公式进行参数设计。设计能力很弱，很难设计出一些结构复杂的新型天线。同时传统天线设计方法用一种类似手工作坊方式进行天线设计，效率极其低下、设计周期长、成本高。因此必须寻找新的天线设计手段。
现代科学的高速发展为天线设计开辟了一条新的道路，即天线自动设计。天线自动设计是采用数值计算方法对天线性能进行仿真计算，利用遗传算法（Genetic Algorithms, GA）和神经网络等现代优化算法实现对天线结构的计算机辅助设计。天线自动设计能够有效地用计算机高速计算代替大量的天线设计者手工劳动，促进天线设计能力和设计效率的极大提高。这为我们应对现在移动通信中天线系统的挑战提供了有力的手段。