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低剖面宽带贴片天线的研究与设计

王鹏程  
【摘要】:天线是无线通信系统的最基础部件,随着通信技术的发展和无线通信系统频谱资源日渐紧张,对天线性能的实际需求也不断提高。贴片天线因其重量轻,厚度低,加工成本低、易于制造和易与载体共形等特点而被广泛应用。同时,现代通信系统面临的工作环境愈发复杂,线极化天线难以满足复杂情况下的实时通讯需求,而圆极化天线具有可接收/发射不同极化的电磁波,抗干扰能力强,受法拉第效应影响小等优势,适用场景更广,能保障实时通信的畅通。本文针对传统微带贴片天线工作频带窄的问题,结合多模谐振理论,分析低剖面宽带贴片天线的工作模式,研究并设计了低剖面条件下的多模谐振宽带贴片天线;还设计加载超表面的低剖面宽带圆极化天线。本文主要工作如下:1.设计了工作于TM_(1/2,0)和TM_(1/2,2)模式的低剖面双模谐振宽带贴片天线。所设计的天线采用矩形PIFA代替传统微带贴片天线,用以抑制冗余模式;在辐射贴片下方加载短路销钉,显著增加TM_(1/2,0)模式谐振频率(f_(1/2,0))而不影响TM_(1/2,2)模式的谐振频率(f_(1/2,2));其次在贴片上蚀刻一对缝隙用以降低f_(1/2,2)而不改变低频f_(1/2,0),最后逐渐增大贴片宽度,让f_(1/2,2)下降地更快,使f_(1/2,2)更接近f_(1/2,0),最终双辐射谐振模式可以彼此融合达到带宽增强,该天线阻抗带宽1.57-1.74GHz(10.3%),天线厚度仅4.5 mm(0.025λ_0)。另外,基于双模谐振原理设计了一款柱面共形贴片天线,类似操作激发双谐振模式,在天线的厚度仅3.5mm(0.019λ_0)的情况下带宽能扩展到9.1%。2.设计了具有改善辐射性能的多模谐振低剖面宽带贴片天线。通过加载多个短路壁,达到抑制冗余模式、降低E面副瓣和减小H面交叉极化的目的;加载短路销钉增加TM_(1/2,0)工作频率;在TM_(3/2,0)模式的零电流位置处刻蚀一个矩形缝隙,激发谐振缝隙模式TM_(RS),使得这两个模式逐渐靠近TM_(3/2,0)模式,实现三模谐振增加带宽,天线厚度仅有3mm(0.029λ_0),|S_(11)|-10d B的阻抗带宽增加到18%(2.64–3.17 GHz);另外,在三模宽带天线的基础上进行了拓展研究,进一步增加贴片宽度,再合理微调短路销钉和谐振缝隙的参数,保持原有的三个模式频率不变,使得高频的TM_(1/2,2)频率下降,最终实现四模谐振,天线厚度保持3mm不变,带宽进一步增加到21.7%(2.67-3.32GHz)。两款天线的辐射性能都有极大改善,H面交叉极化下降到小于-20d B。3.设计了加载超表面的低剖面宽带圆极化天线。在Wilkinson功分器的基础上增加四分之一波长的馈电路径差,提供90°相位差用于馈电方形贴片来实现圆极化辐射;加载方环形超表面改善圆极化贴片的工作带宽和增益,最终实现的低剖面圆极化天线整体厚度为6mm(0.05λ_0),|S_(11)|-10d B的工作带宽为2–2.9 GHz(36.7%),3 d B轴比带宽2.0-2.6 GHz(26.1%)。


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