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可重构微带天线研究

刘君英  
【摘要】: 基于微带天线的可重构天线(Reconfigurable Antenna)技术是本文的研究内容。随着科学技术的发展,人类对无线通信的需求越来越高,为了适应地面及卫星通信等新型通信方式对天线模块提出的日益严苛的要求,可重构天线概念被提出并获得广泛的发展。新型无线通信系统的发展趋势是扩展系统功能、减小系统体积、简化硬件模块、对通信环境具有自适应能力。为了满足这种趋势的技术要求、与系统的信号处理和软件控制模块协调工作,天线模块必须具备灵活多样的频率和辐射性能。可重构天线体积小、性能灵活,作为系统的关键部件,能够极大地改善整个系统的性能,解决传统天线对新型无线通信系统性能的制约问题,使系统更加适应复杂多变的应用环境。因此,开展可重构天线设计理论及其技术实现的研究不仅具有较高的学术价值,同时也有相当的实际意义。 本文的研究围绕可重构天线单元及其阵列设计展开,主要内容分为如下几个部分: 首先介绍了可重构天线的基本概念和研究意义,基于对天线基本辐射原理的分析提炼出可重构天线的设计难点:天线的频率响应特性与辐射特性之间相互影响的关联性问题,通过对可重构天线种类的详细归纳阐述了各种天线的重构机制,并在此基础上指出可重构天线研究中有待解决的若干问题。 其次针对无线通信系统多模通信和小型化的需求,提出了一种基于短路针加载结构的频率可重构天线。通过切换短路针的加载状态,一方面实现了大频比的频率重构性能,另一方面又保证了天线紧凑的结构。针对这一设计思想引入的在不同工作状态下的阻抗匹配问题,通过对匹配馈电点和各种馈电方式的分析,设计出了适当的匹配电路,解决了该结构的阻抗匹配问题。为了进一步扩展该结构的实用性,作为对该结构的改进,提出加载槽和变容管的微带天线结构,进一步实现了在每个工作频带上对频率的小范围调节,并保证了在所有有效工作频率上辐射方向图的一致性。这种天线结构具有“宏观-微观”频率可重构性能,而其尺寸小于最低工作频率波长的四分之一,能灵活应用于无线通信系统,具有很高的实用价值。 再次针对无线通信系统对多模工作和通信质量的要求,本文提出了一种频率和极化方式混合可重构天线方案。基于对微带天线的圆极化原理的深入分析,通过在天线辐射片适当位置加载开关来控制改变天线表面电流的分布,最终使天线能够两个频带之间实现频率的切换,并可根据需要在三种不同的极化方式之间重构。另外针对微带天线阻抗和轴比带宽过窄的问题,通过加载容性馈电缝隙进一步扩展了天线的阻抗和轴比带宽。仿真和实测结果均证明了该设计的有效性。 最后,针对天线频率响应与辐射特性的关联性问题,基于前述的混合可重构单元天线,提出了一种结构新颖的可重构二元阵列结构:将两副单元天线以嵌套的方式组阵,内环和外环阵元分别工作于相互独立的频段,实现了双带操作;而各个阵元天线又具有极化可重构性和小范围的频率重构能力。这种设计一方面避开了可重构单元天线的频率响应与辐射模式之间关联性的矛盾从而实现了对频率和极化特性较为独立的控制,另一方面又保持了天线紧凑的结构——二元阵列仅占有一元天线的空间尺寸,为可重构天线的设计提供了一种新颖的备选方案。其中,为了实现可重构单元天线的小型化,在天线中心引入方形槽。而为了克服槽面积增大导致的匹配馈电难和带宽变窄的问题,提出了容性耦合馈电技术与增大天线高度相结合的解决方案。为了深入理解阵列辐射性能,本文采用二元微带线的奇偶模理论对内外辐射单元之间的耦合特性进行了分析,并得出结论:在高频段时二元环天线有两个谐振频率点,分别以奇模或偶模为主的状态工作;低频段外环辐射片的辐射性能则基本不受内环影响。采用全波分析软件计算的仿真结果进一步验证了这一设计的可行性和理论分析的正确性。


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