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小型平面天线宽带化技术的研究

黄晓东  
【摘要】:根据工作机制,天线大致上可以划分为谐振型与非谐振型两大类。一般而言,谐振型天线的电尺寸较小但工作带宽不宽,而非谐振型天线的工作带宽较宽但电尺寸较大。在传统的谐振型天线设计中,基于天线小型化以及方便设计的考虑,一般只利用谐振器(辐射器)的第一个谐振模式。这种单谐振的工作方式导致了该类型天线的工作带宽不可能太宽。为了解决天线的小型化与宽带化之间的矛盾,本文以传统的平面谐振型天线(贴片天线、缝隙天线和振子天线)为研究对象,在不增加辐射器数目的前提下,进行了拓展其工作带宽的相关研究。本文的主要工作由两部分组成,分别以阻抗匹配和多模谐振为出发点,对平面谐振型天线工作带宽的改进进行了深入研究。在第一部分中,针对天线阻抗匹配网络的小型化进行了相关研究,提出了一种采用多级谐振单元来实现阻抗匹配从而达到改善天线工作带宽的技术,并成功地将其用于微带贴片天线和缝隙天线,使其带宽获得了成倍的增加;在第二部分中,创新性的提出了利用规则谐振器的多模谐振特性来展宽天线的工作带宽的设计思路,并以窄缝隙天线和印刷振子天线为具体研究对象,成功的实现了几种驻波带宽(电压驻波比2.0)大于3:1的平面天线。 阻抗匹配是一种传统的电路设计技术。当天线工作于某个谐振模式时,对其进行等效电参数提取之后,就可以利用经典的阻抗匹配技术设计所需的阻抗匹配网络。该技术不破坏谐振器本身的辐射结构,因此在添加了额外的匹配网络之后,不会使天线的辐射方向图产生明显的变化。由于阻抗匹配电路需要一定的空间,因此会增加天线的总体尺寸,这是阻抗匹配方法的一个主要缺陷。为了通过简化电路结构来减小阻抗匹配电路的尺寸,本文分别以微带贴片天线和微带缝隙天线为具体研究对象,针对性的提出了两种小型化的阻抗匹配电路结构。在增加了设计好的阻抗匹配电路之后,天线的工作带宽可以成倍的被拓宽,同时天线的总体尺寸并没有显著的增加,利用该设计可以提高阻抗匹配技术的实用性。 多模谐振是微波频段的分布式谐振器(辐射器)的基本特性。传统的谐振型天线往往只利用了辐射器的一个谐振模式,因此其工作带宽很难有实质性的改善。已有的多模宽带天线往往结构复杂且辐射机制不明晰,在设计上也没有明确的准则作为参考。本文以基本的磁振子(微带窄缝隙天线)和电振子(微带印刷振子)为对象,利用多模技术对其工作带宽进行了改进。仿真和实验结果表明,通过合理设计馈电结构和参考端口阻抗,可以通过同时激励起一个谐振器的前若干个谐振模式,从而将传统的窄缝隙天线和印刷振子天线的阻抗带宽拓宽到3:1以上。由于并没有引入额外的谐振器和阻抗匹配结构,因此天线的尺寸没有增大。这些设计实例表明,多模技术可以在保持天线小型化的同时,大幅度地提高天线的工作带宽。


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