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下一代移动终端天线的辐射特性和宽带圆极化天线设计

徐博  
【摘要】:近半个世纪以来,移动通信已经成为了人们日常生活中必不可少的技术。各种不断涌现的新应用,比如虚拟现实、无人驾驶、物联网等,对更高移动通信速率和更大通信容量的需求迫在眉睫。在这一背景下,各国都开始开展了第五代移动通信系统(5G)的研究。而天线作为移动通信系统的关键部件和技术之一,对于通信系统的性能起着至关重要的作用。本论文围绕5G移动终端毫米波天线产生的电磁辐射、移动终端对毫米波天线产生的影响、和可用于宽带通信的圆极化天线进行了研究。主要研究工作和创新点可归纳为:1)分别设计了采用贴片天线阵列、切口天线阵列和槽天线阵列的28 GHz移动终端模型;使用全波仿真软件和数值计算分析发现,激励起的表面波增加了天线的辐射口径,进而降低了所产生的最大功率密度;依据FCC、ICNIRP和IEEE标准,计算出上述移动终端模型在28 GHz频段所允许发射的功率为0.5 dBm-16.4 dBm,远低于移动终端在当前移动通信频率的发射功率(23dBm-33 dBm)。2)根据平面波等效法和天线阵列的场叠加原理,提出了多种功率密度的估测法,包括基于场幅度的估测法、矢量叠加估测法和标量叠加估测法;使用近场测试系统测量了两种15 GHz移动终端模型所产生的电场,使用测量结果验证了标量叠加估测法;总结了不同估测法的优劣。3)利用特征值分解法和半正定松弛法,给出了毫米波天线阵列产生的功率密度的严格理论上限;使用这两种方法计算了 28 GHz切口天线阵列产生的功率密度的上限,并使用蒙特卡洛法进行了验证;依据相关电磁防护国际标准,给出了该天线阵列的最大允许发射功率的下限。这些方法在电磁辐射防护领域有着较强的应用和推广前景。4)利用全波仿真软件和基于电磁场逆问题方法的近场测试系统,系统地分析了基板、外壳、屏幕、散射和人手对放置在移动终端中的28 GHz天线性能的影响;提出了有效波束扫描效率这一概念以衡量这些因素对波束扫描性能的影响;设计了多种结构来抑制表面波在基板上的传播,改善了毫米波天线的方向图。5)设计了两种宽带圆极化槽天线。以经典的宽槽天线设计为基础,通过引入突出金属地结构,实现了 58%的轴比带宽;将同样的设计原理应用于手持式宽带RFID阅读器天线的设计,在减小天线尺寸的同时覆盖了所有国家和地区的UHF RFID频带。


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