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一、选题背景和意义
天线在通信、广播、电视、雷达和导航等无线电系统中被广泛的应用，起到了传播无线电波的作用，是有效地辐射和接受无线电波必不可少的装置。
阵列天线的定义：阵列天线是一类由不少于两个天线单元规则或随机排列并通过适当激励获得预定辐射特性的特殊天线。
就目前天线通信知识和技术的迅速发展，以及国际上对天线的诸多研究方向的提出，都促使了新型天线的诞生。阵列天线就是研究的一种方向，所谓阵列天线不是简单的将天线排成我们所熟悉的阵列的样子，而是它的构成是阵列形式的。就发射天线来说，简单的辐射源比如点源，对称振子源是常见的构成阵列天线的辐射源。它们按照直线或者更复杂的形式，根据天线馈电电流，间距，电长度等不同参数来构成阵列，以获取最好的辐射方向性.这就是阵列天线的魅力所在，它可以根据需要来调节辐射的方向性能。由此产生出了诸如现代移动通信中使用的智能天线等。我相信，在不久的将来，这些高技术含量的天线将会带给我们同样高质量的通信环境。
二、国内外研究现状、发展动态
随着无线通信技术的发展，无线网络的丰富应用带动了无线数据业务的迅速增长。据权威机构预测， 到2020年时，数据业务将增长500～1000倍 ，给无线接入网络带来了巨大的挑战，需要未来通信系统设计能够更加高效地利用带宽资源， 大幅提升频谱效率。大规模天线阵列系统（MassiveMIMO）被认为是未来5G最具潜力的传输技术。在大规模天线阵列系统中，基站侧配置大规模的天线阵列，利用空分多址（SDMA）技术，可在同一时频资源上服务多个用户，利用大规模天线阵列带来的巨大阵列增益和干扰抑制增益，使得小区总频谱效率和边缘用户的频谱效率得到了大幅提升。
中国政府对该技术领域的发展也非常重视。我国的5G研究与标准化组织—IMT－2020推进组于2013年底专门成立了大规模天线技术专题组，集中了国内研究院所、运营商、设备商以及高等院校中相关技术领域的核心单位，启动了对面向5G的大规模天线技术 的研究与标准化工作。此外， 2012年国家重大专项启动了针对64天线的3D－MIMO技术的研究项目立项 工作， 2014年863计划启动了针对128～256天线的MassiveMIMO技术（1期）的立项工作，并将在后续的2期及3期阶段中持续推动该技术的研究、验证与标准化工作。国内对于大规模天线研究主要进行的是信道建模、信道估计、传输技术的研究，如华为、清华、北邮等。一些设备商和运营商也展开了大规模天线样机的研究。
大唐电信开展了2013国家科技重大专项3D－MIMO技术研究与验证，采用64通道的二维平面天线阵。在国家863计划项目高效能5G无线传输关键技术研发中，拟开发8套每套支持16个天线单元的分布式天线和1套支持128天线单元的集中式大规模天线。该项目于2014年1月～2016年12月实施。
中兴正在进行256天线MassiveMIMO原型机的开发验证，采用基带数字波束成形和射频波束成形两种波束赋形技术，预计原型机推出时间为2015年。
中国移动对MassiveMIMO的关键技术展开了研究，包括多场景中的新型信道建模研究、支持大规模天线的创新传输方案研究、高效能、低成本、实用化、可扩展的灵活部署方案和系统性能仿真评估，具体到天线层面，涉及的关键技术包括：波束成形、预编码、空时码/信号处理等方案、 大规模天线协作与干扰消除算法、天线校准与分布式处理算法、基于手机射频芯片的 基站射频系统设计、新型射频功放研究、有源天线硬件设计与工艺、 天线部署方案研究、不规则天线阵列的优化算法研究等。并与部分设备上、天线厂商合作开展3D－MIMO的样机研制和大规模天线演示验证系统。
中国电子科技集团公司第54研究所也对MassiveMIMO的关键技术展开了研究，包括大规模新型天线系统架构、宽带小型化天线辐射单元，小型化一体化射频收发单元、基于强电磁耦合不规则布阵情况下的方向图成形算法、大规模天线协作系统分步式数字信号后处理及评估测试等关键技术，预计2015年底推出原理样机。
2014年9月，华为联合中国移动演示了全新预商用AAU（有源天线射频单元）平台，是业界第一款支持 MassiveMIMO特性的基站产品，也是业界最大规格的 MassiveMIMO多天线系统，不仅可支持中国移动主流频段，而且可以兼容现有的终端，应用后系统容量可提升数倍。
2014年11月，中兴通讯联合中国移动在深圳完成了TD－LTE3D/MassiveMIMO基站的预商用测试，采用中兴最新研制的64端口128天线3D/MassiveMIMO的基带射频一体化室外型基站，测试结果基本符合预商用要求。
三、研究的内容及可行性分析
按单元排列可分为线阵和面阵。最常用的线阵是各单元的中心依次等距排列在一直线上的直线阵。
线阵的各单元也有不等距排列的，各单元中心也可以不排列在一直线上，例如排列在圆周上。多个直线阵在某一平面上按一定间隔排列就构成平面阵，若各单元的中心排列在球面上就构成球面阵。
按辐射图形的指向可分为侧射天线阵、端射天线阵和既非侧射又非端射的天线阵。侧射天线阵是最大辐射方向指向阵轴或阵面垂直方向的天线阵。端射天线阵是最大辐射方向指向阵轴方向的天线阵。最大辐射方向指向其他方向的天线阵为既非侧射又非端射的天线阵。
按照功能可分为同相水平天线、频率扫描天线、相控阵天线、多波束天线、信号处理天线、自适应天线等。
天线阵的种类很多，但300GHZ的天线阵的波长属于毫米波至亚毫米波的之间，到目前为止都是属于比较难以实现的一个波段，如何具体实现，这是一个很大的难题，由于我们使用的是ADS仿真实现，可以略微忽略现实因素，所以此设计可行性很高。
四、论文拟解决的关键问题及难点
这一设计主要涉及到两方面的内容：ADS软件的使用和天线阵的设计。而这两方面对于我来说皆是难点，由于我以前并没有使用过ADS软件，而这软件又是全英文的，在使用上有一定的困难；关于天线阵的设计，也是一个难题，通信方面我并不熟知，又要实现300GHZ如此高的中心频率，这是最大的一个难题。
五、研究方法
1、仿真方法
（1）高频SPICE分析和卷积分析（Convolution）
高频SPICE分析方法提供如SPICE 仿真器般的瞬态分析，可分析线性与非线性电路的瞬态效应。在SPICE 仿真器中，无法直接使用的频域分析模型，如微带线带状线等，可于高频SPICE仿真器中直接使用，因为在仿真时可于高频SPICE仿真器会将频域分析模型进行拉式变换后进行瞬态分析，而不需要使用者将该模型转化为等效RLC电路。因此高频SPICE除了可以做低频电路的瞬态分析，也可以分析高频电路的瞬态响应。此外高频SPICE也提供瞬态噪声分析的功能，可以用来仿真电路的瞬态噪声，如振荡器或锁相环的jitter。
卷积分析方法为架构在SPICE高频 仿真器上的高级时域分析方法，藉由卷积分析可以更加准确的用时域的方法分析于频率相关的元件，如以S参数定义的元件、传输线、微带线等。
（2）线性分析
线性分析为频域的 电路仿真分析方法，可以将线性或非线性的射频与微波电路做线性分析。当进行线性分析时，软件会先针对电路中每个元件计算所需的线性参数，如S、Z、Y和H参数、电路阻抗、噪声、反射系数、稳定系数、增益或损耗等（若为非线性元件则计算其工作点之线性参数），在进行整个电路的分析、仿真。
（3）谐波平衡分析( Harmonic Balance)
谐波平衡分析提供频域、稳态、大信号的电路分析仿真方法，可以用来分析具有多频输入信号的非线性电路，得到非线性的电路响应，如噪声、功率压缩点、谐波失真等。与时域的SPICE仿真分析相比较，谐波平衡对于非线性的电路分析，可以提供一个比较快速有效的分析方法。
谐波平衡分析方法的出现填补了SPICE的瞬态响应分析与线性S参数分析对具有多频输入信号的非线性电路仿真上的不足。尤其在现今的高频通信系统中，大多包含了混频电路结构，使得谐波平衡分析方法的使用更加频繁，也越趋重要。
另外针对高度非线性电路，如锁相环中的分频器，ADS也提供了瞬态辅助谐波平衡(Transient Assistant HB)的仿真方法，在电路分析时先执行瞬态分析，并将此瞬态分析的结果作为谐波平衡分析时的初始条件进行 电路仿真，藉由此种方法可以有效地解决在高度非线性的电路分析时会发生的不收敛情况。
（4）2.4 电路包络分析（Circuit Envelope）
电路包络分析包含了时域与频域的分析方法，可以使用于包含调频信号的电路或通信系统中。电路包络分析借鉴了SPICE与谐波平衡两种仿真方法的优点，将较低频的调频信号用时域SPICE仿真方法来分析，而较高频的载波信号则以频域的谐波平衡仿真方法进行分析
（5） 射频系统分析
射频系统分析方法提供使用者模拟评估系统特性，其中系统的电路模型除可以使用行为级模型外，也可以使用元件电路模型进行习用响应验证。射频系统仿真分析包含了上述的线性分析、谐波平衡分析和电路包络分析，分别用来验证射频系统的无源元件与线性化系统模型特性、非线性系统模型特性、具有数字调频信号的系统特性。
（6）拖勒密分析（Ptolemy）
拖勒密分析方法具有可以仿真同时具有数字信号与模拟、高频信号的混合模式系统能力。ADS中分别提供了数字元件模型（如FIR滤波器、IIR滤波器，AND逻辑门、OR逻辑门等）、通信系统元件模型（如QAM调频解调器、Raised Cosine滤波器等）及模拟高频元件模型（如IQ编码器、切比雪夫滤波器、混频器等）可供使用。
（7）电磁仿真分析(Momentum)
ADS软件提供了一个2.5D的平面电磁仿真分析功能——Momentum（ADS2005A版本Momentum已经升级为3D电磁 仿真器），可以用来仿真微带线、带状线、共面波导等的电磁特性，天线的辐射特性，以及电路板上的寄生、耦合效应。所分析的S参数结果可直接使用于谐波平衡和电路包络等电路分析中，进行电路设计与验证。在Momentum电磁分析中提供两种分析模式：Momentum微波模式即Momentum和Momentum射频模式即Momentum RF；使用者可以根据电路的工作频段和尺寸判断、选择使用。
2、 研究算法
（1）自适应算法
自适应天线的原理是使天线方向图在干扰方向上产生零点，如果从某个方向对阵列施加干扰，则通过自适应处理，天线阵列方向图相应方向的电平就会降低。应用这个特性，我们将阵列想象成自适应阵列来应用。在基于最大信噪比准则和最小二乘准则下，分别研究了两种算法，在主、副瓣方向施加干扰，调整阵列方向图，使之满足设计的要求。本文同时改进了一种自适应算法，使之在计算量上更为减少，计算更为简单，同时将阵列互耦因素考虑在内，使之在考虑互耦的情况下也能实现设计要求，大大地扩展了算法的实用性。
（2）旁瓣峰值控制算法
研究了针对旁瓣峰值电平进行控制的迭代算法，基于最小均方误差准则下，仅对旁瓣的峰值电平进行控制，针对性更强，改进了一种基于最小二乘理论的算法对阵列天线进行方向图综合，仅对旁瓣峰值和主瓣电平进行处理，可以实现旁瓣和主瓣电平的同时控制，使天线阵方向图向期望方向变化。算法可以对等间距和不等间距天线阵进行综合，计算量也比较小，所以具有很强的实用性，仿真结果显示算法很好的完成了设计要求。
（3）遗传算法
研究了遗传算法在天线阵方向图中的应用，提出了一种改进的遗传算法对线天线阵进行方向图综合，在进化初期和后期，分别采用不同的选择，变异的计算，从而在解空间的搜索过程中有效的实现了全局搜索，避免过早的陷入局部极值，并且有较快的收敛速度，基本摆脱了对初始群体的依赖。针对小型阵列，通过适应度函数的改进，使之摆脱了收敛过程中容易出现的畸变现象，计算结果表明算法很好的实现了设计要求。
（4）零陷综合控制算法
研究了天线阵方向图的零陷控制算法，可以实现对天线阵方向图的宽角度零陷控制，基于矩阵的分解理论，加入最小二乘理论的约束条件，通过一组特征向量的公式求得优化权值，得到的宽角度零陷方向图可以在干扰指定方向不完全预知的情况下，实现对干扰的抑制，这样就具有比较强的实际应用价值。
六、论文的进度安排
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日程安排
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1
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制定工作计划,掌握课题任务要求，搜集有关资料
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2
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查阅资料，初步掌握设计内容，完成开题报告
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3
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成功开题
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4
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初步掌握ADS软件使用方法
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5
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在ADS上完成毕业设计的大致内容
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6
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进行仿真调试，优化设计
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7
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进行中期检查，完成毕业设计，加深对毕业设计的理解
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8
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再次优化设计，确定完成设计指标
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9
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结题验收
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10
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毕业设计资料整改和完善,撰写毕业论文
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11
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准备毕业答辩
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七、主要参考文献
[1]黄玉兰,电磁场与微波技术,人民邮电出版社
[2]电动力学,郭硕鸿,高等教育出版社
[3]天线,约翰.克劳斯,电子工业出版社
[4]天线理论与设计,(美)WarrenL.Stutzman,人民邮电出版社
[5]天线理论与技术,卢万铮,西安电子科技大学出版社
[6]天线原理,王朴中、石昌盛,清华大学出版社
[7]微波天线，张齐德，国防工业出版社
[8]5G大规模天线系统研究现状及发展趋势，刘宁、袁宏伟，中国电子科技集团公司第54研究所北京研发中心，北京100070
八、指导教师意见
签名： 201 年 月 日
九、开题审查小组意见
开题审查小组组长签名： 201 年 月 日
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