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小型化与宽频带天线技术研究

何蔚  
【摘要】: 无线通信技术的迅速发展和应用,推动着通信设备及其电子器件制造向小型化、多用途的方向发展。天线作为任何无线通信系统前端收发信号的部件,对通信质量起着至关重要的作用,也往往是制约无线通信系统小型化发展的主要障碍。设计与现代信息传递相适应的小尺寸、宽频带、高效率、大容量、易安装、多功能的天线已成为当今天线研究领域中一个很重要的课题。 由于微带天线和印刷贴片天线具有体积小、重量轻、低剖面、易于与有源器件和微波电路集成的特点,目前广泛应用于雷达、卫星通信、移动无线通信、以及各种通信设备当中。但微带天线本身具有高品质因数、窄频带、低效率等缺点,大大限制了它们的应用。本论文在总结前人研究的基础上,主要针对微带天线和印刷贴片天线的宽频带和小型化技术展开了研究分析。论文采用多天线构建方式、毫米波通信技术的优势、电磁带隙(EBG)技术在雷达散射截面(RCS)减缩技术中的应用以及天线可重构等技术,构建了与现代通信相适应的小型化、宽频带以及圆极化天线系统结构。具体内容阐述如下: 1.对有限积分技术(FIM),时域有限差分(FDTD),矩量法(MOM)和粒子群优化算法(PSO)的理论以及在天线设计中的应用进行了分析和阐述。重点提出了粒子群优化算法与CST微波工作室相结合的优化设计在天线设计中的应用思想。 2.为了很好地实现现代无线通信系统小型化、多频带、高效率、无盲区的应用,本文利用现有无线局域网(WLAN)芯片支持的开关控制的多天线选择系统,研制了工作在WLAN频段,即2.45GHz, 5.25GHz和5.8GHz的螺旋结构、平面倒F结构的多天线系统。在天线系统的设计中,把天线单元正交印制在一块介质基板上,并利用芯片开关的控制选择作用,使得天线系统的单元间具有极化分集和极化选择的作用。除此之外,天线系统采用多个天线集成在一个印刷电路板上,既满足了宽频带和多频带的要求,又具有小型化的特点。 3.为了设计宽频带毫米波天线以及实现毫米波通信系统对高增益和圆极化天线的需求,本文通过采用螺旋结构、“E”形结构、椭圆环等结构对宽频带毫米波微带天线进行了设计。在天线结构设计过程中,采用粒子群优化算法与CST微波工作室相结合的方法对天线的参数进行了提取和优化设计。此外,采用方形贴片对角线馈电、空气间隙技术和开槽技术,同样采用粒子群优化算法与CST微波工作室相结合的方法,优化设计了具有圆极化特性的宽频带毫米波阵列天线。 4.为了满足飞行器的电磁隐身应用需求,本文应用周期结构二阶共面紧凑型电磁带隙(2nd-UC-EBG)的电磁带隙特性,并将其应用在微带单天线和微带阵列天线的接地板当中,设计工作在X波段的低RCS微带天线,在2-18GHz范围内,实现了天线在工作频段外有显著的RCS减缩效果。虽然在天线工作频带内的RCS有少许增加,但天线增益得到了提高,天线带宽和后瓣抑制性能都得到了改善,天线制作成本也较低。 5.为了实现宽频带和圆极化选择的毫米波通信功能,分析了可重构天线技术及其在天线小型化技术中的应用。利用空气间隙技术、方形贴片对角线馈电技术和正交开槽的方法,设计了具有微机电系统(MEMS)开关控制特性的宽频带圆极化可重构的毫米波微带天线。通过控制MEMS开关的开关状态,设计的圆极化可重构天线可工作在左旋圆极化或右旋圆极化模式下。


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