超宽带天线小型化技术及其在宽带平面反射阵列天线中的应用研究

【摘要】：随着无线通信技术的飞速发展,通信系统对天线的小型化、平面化和宽带化的要求越来越高。超宽带通信具有传输速率高、系统容量大、抗多径能力强、功耗低和成本低等优点,而超宽带天线特别是超宽带天线小型化技术成为当前学术界和业界的研究热点同时也是研究难点。另外,在远距离通信系统中需要高增益定向天线,一般采用抛物面天线或微带阵列天线。但是传统的抛物面天线体积较大,机动性差;而微带阵列天线复杂的馈电网络会导致损耗较大,影响天线的增益和效率;反射阵列天线解决了二者的不足,具备重量轻、效率高、体积小和成本低等优点。本文首先研究了超宽带天线小型化的设计方法,据此设计了小型化超宽带平面偶极子天线。其次,针对传统反射阵列天线工作带宽较窄的问题,探索并尝试将宽带天线小型化技术运用在反射阵列天线单元设计中,成功拓展了反射阵列天线的带宽,本文主要内容安排如下:1.研究了利用凹形臂加载技术实现超宽带天线的小型化设计。通过凹形臂的加载,能够使其与偶极子天线一侧产生电磁耦合,在低频端产生新的谐振点,从而拓展了超宽带天线的低频带宽,即实现了超宽带天线的小型化。测试结果表明,本设计天线相对带宽为133%(2 GHz-9.9 GHz),尺寸为0.28λ×0.28λ(λ为2 GHz时的自由空间波长)。2.研究了凹形臂加载技术在反射阵列天线中的应用。在10 GHz设计频率下,通过在开槽矩形贴片单元两侧加载凹形臂的方法为单元引入新的谐振点,扩展了相移范围,并通过调节优化结构参数使相移曲线更加线性,从而拓宽了天线的带宽。测试结果显示天线在10 GHz处的增益为25.7 d Bi,口径效率为65%,1-d B增益相对带宽为32%。3.研究了对称切半小型化技术在反射阵列天线中的应用。将开槽矩形贴片单元沿着其几何对称轴切半,单元网格周期也随之减半,切半后的单元性能未有较大变化,并通过优化单元的结构参数实现较为线性的相移曲线,实现宽带性能。此方法可以在相同的口径面尺寸下分布更多的天线单元,提高阵列面的口径利用率,从而提高天线的性能。天线的仿真结果显示,其1-d B增益相对带宽为43.2%,在10 GHz处口径效率为64.5%。