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宽带微带天线及高性能有源一体化天线技术的研究

杨汶汶  
【摘要】:无线通信技术的飞速发展对位于无线通信系统射频终端的天线提出了更高的要求,即集成化(易于与射频电路集成)、小型化(具备更小的剖面及体积)、高性能(宽频带或多频带、高增益、低旁瓣、低交叉极化等)。微带天线凭借其独特的优势广泛应用于无线通信、遥感、射电天文等诸多领域,然而极窄的带宽制约了其进一步的发展应用。微带天线的带宽展宽技术一直是天线领域研究的热点,也是无线通信技术领域的一个重要研究方向,发展宽带高性能微带天线对于整个微带天线应用领域都具有重要的意义。另一方面,作为无线通信领域发展最为迅速的方向之一,移动通信系统在经历了几代的发展部署后也陷入了诸多困境。传统基站的扇面波束覆盖及指向无法灵活调节,且由于多种网络制式并存而致使其天面资源极度匮乏,建设及维护成本不断升高。而新一代无线通信技术(5G)中最具潜力的发展方向即Massive Multiple-Input and Multiple-Output (Massive MIMO)技术的研究与验证也不得不面临着成本及性能的双重挑战。在此背景下,具有高集成度并能支持多制式的性能优越的有源一体化天线系统应运而生。随着国际上各知名设备商陆续推出实验样机,有源一体化天线技术俨然已成为未来移动网络站点型态的重要发展趋势,而其精确的大范围波束扫描能力也使其能灵活的应用于Massive MIMO系统架构的简便实现。因而研究具有低成本及高性能的有源体化天线系统意义非凡。本文紧紧围绕宽带低剖面微带天线及低成本、高性能有源一体化天线系统这两个研究热点,开展了如下主要研究工作:一、针对宽带低剖面线极化微带天线开展深入的研究。通过激励多个谐振模式的方式,提出了两种新颖的宽带低剖面微带天线结构:其一为通过微带线嵌入馈电的开有Tooth-like缝隙的单层微带贴片天线,通过微带贴片表面的电流分布,分析了天线的双重谐振机理并总结出设计思路;其二为通过带状线馈电并有枝节加载的E形Substrate Integrated Waveguide (SIW)背腔微带贴片天线,基于对该天线输入阻抗的分析,总结了设计思路并与传统的微带贴片进行了比较。上述天线均利用PCB工艺制作实物并完成了测试,在剖面高度为0.033λ0的情况下均展示出了超过10%的阻抗带宽。这部分研究成果已分别在国际会议iWAT和国际核心期刊IEEE Antennas Wireless Propag. Lett,上发表。二、围绕宽带低剖面圆极化微带天线展开深入的研究。通过构造寄生谐振以及组阵的方式,提出并设计了三种宽带低剖面微带天线。第一种为单馈层叠型微带贴片天线,该天线通过在辐射贴片层加载寄生贴片来获得更宽的“潜在”轴比带宽,然后通过引入呈环状排列的层叠型贴片阵来构成与辐射贴片层之间的“松耦合”,这两种技术的结合使得该天线在具有更低耦合高度即剖面高度的同时获得了更宽的轴比带宽。第二种为具有层叠型寄生贴片的浅化背腔微带缝隙天线,该天线通过引入层叠型的寄生贴片有效的恢复了受浅化背腔(背腔高度小于λ0/47)影响而恶化的微带缝隙天线的轴比性能;在背腔高度极低的情况下,通过改变寄生贴片的谐振频率仍可获得相当可观的轴比带宽。第三种为利用层叠型贴片耦合技术,实现环形连续相位旋转馈电结构,获得具有增强的带宽及增益的2×2圆极化微带天线阵。上述天线及阵列的工作机理以及影响各天线性能的主要结构参数均得到了有效的分析和实物验证。这部分研究成果已在国际核心期刊IEEE Trans. Antennas Propag.和IEEE Antennas Wireless Propag. Lett,上发表。三、深入研究了面向下一代移动通信Massive MIMO系统的低成本、高性能2.6GHz有源一体化天线系统。在对有源一体化天线设计中需要重点考虑的诸如射频小型化及相位控制技术等关键技术研究分析的基础上,提出了一种低成本、高灵活性、非常适用于有源一体化天线系统的频率可搬移矢量调制器模块,该模块利用了矢量调制器低成本、高精度的优点,却克服了其工作频率范围受限的缺点,同时该模块不影响信号的性能。基于该模块,研制了一种采用射频移相架构的1×8有源一体化天线阵列。针对该系统加工实物所做的测试充分验证了对其分析的合理性并展示出了其所具有的低成本、高灵活性、宽扫描角(-50°至50°增益波动小于1.5dB)及高精度(波束指向误差在±0.5°以内)等出色的优点。这部分研究成果已申请了国家发明专利并投稿至国际核心期刊Microw. Antennas Propag.。研制的有源一体化天线,已经为客户所采用,实现了低配置的Massive MIMO移动通信系统。四、针对当前Wireless Local Area Network (WLAN)应用的研究热点,即低成本、高性能且具备完全自适应波束赋形功能的智能天线系统,提出并实现了一种5.8GHz基于频率可搬移矢量调制器模块的1×8有源一体化发射天线系统。该天线系统可以与实验室开发的面向新一代无线局域网的8×8的MIMO系统,以较低的成本,实现Massive MIMO的功能。在研究中,通过将频率可搬移矢量调制器模块在C波段实现,原本需要付出昂贵代价的高频幅相调制功能被低成本的模拟IC器件在低频处以更高的调制精度完成。将此模块应用于各射频发射链路后,该有源一体化发射天线系统足以具备完全的波束赋形功能。针对该系统加工实物所做的测试充分验证了对其分析的合理性并展示出了其所具有的低成本、高灵活性、宽扫描角(-50°至50°增益波动小于2dB)及高精度(波束指向误差在1°以内)等优点。这部分研究成果已投稿至国际核心期刊IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.。


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