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小型超宽带天线技术研究

吴江牛  
【摘要】:天线作为无线通讯系统的重要部件,其主要作用是在特定方向上接收和发射电磁波能量,因此天线的性能往往决定着整个无线通讯系统的性能。随着无线通讯设备的体积不断减小以及工作频段不断向宽频带发展,使得各种用于展宽天线带宽和缩减天线尺寸的方法得到了广泛的关注和深入的研究,因而也推动了天线向小型化和宽频带等方向的发展。本论文首先介绍了展宽天线带宽和缩减天线尺寸的常用方法及国内外超宽带天线的研究现状,在此基础之上针对平面印刷天线,开展小型化、宽频带、定向辐射等方面的研究。本论文的主要研究内容包括:1.基于加载理论的带宽展宽技术。对于加载理论,首先研究了基于近距加载原理的带宽展宽技术。近距加载原理是利用近场加载会降低天线输入阻抗的思想,通过在矩形方环天线的主辐射方向上引入无源的金属条带,通过电磁耦合的作用,降低天线在高频段的输入阻抗,从而使天线在宽频带内更易与馈电端口匹配。实测结果表明该矩形方环天线在高频段的输入阻抗得到了显著的降低,天线的阻抗匹配因而得到了极大的改善,天线的阻抗带宽从8%扩展到了40.7%,覆盖了2.29到3.46 GHz的频率范围。另外,还研究了双单元加载对矩形方环天线性能的影响,实测结果表明天线可以获得约62.6%的阻抗带宽,覆盖2.29到4.38 GHz的频率范围。接着研究了基于终端加载的带宽展宽技术,并设计了一款基于终端加载技术的平面印刷偶极子天线。通过在偶极子天线的馈电槽线的终端引入阶梯状的加载渐变槽线,改善了天线在其工作频带内的阻抗匹配特性,使天线的阻抗带宽得以展宽。天线实测和仿真结果的良好吻合验证了基于终端加载技术展宽天线阻抗带宽的有效性。实测结果表明该天线可以获得从2.65 GHz到17.5 GHz的阻抗带宽和相对平坦的增益响应,并且该天线具有较小的尺寸(33 mm×16 mm)。为了说明所提出的偶极子天线的优势,将所提出的偶极子天线与其他类似的小型印刷偶极子天线在阻抗带宽、基板介电常数、天线增益和尺寸方面进行了比较分析。2.平面印刷Yagi天线的带宽展宽和小型化技术。首先设计了一款具有宽频带特性的印刷Yagi天线,通过采用无源振子提高了印刷Yagi天线在高频段的阻抗匹配,达到了展宽天线阻抗带宽的目的。接着针对印刷Yagi天线工作频带内阻抗匹配较差的问题,提出了一种新的阶梯状的连接结构,改善了Yagi天线的带内阻抗匹配,使天线获得宽频带的特性。实测结果表明该天线可以获得92.2%的相对阻抗带宽,覆盖3.8到10.3 GHz的频率范围,并且天线在其整个工作频带内实测的增益大于4 dBi。其次,对平面印刷Yagi天线的小型化技术做了相关的研究,提出了采用缩减地板宽度的方法,并利用一对枝节加载地板的结构增加了地板的有效电长度,达到了缩减天线尺寸和降低天线低端带宽边沿的目的。与初始设计的天线相比,该平面印刷Yagi天线的低端带宽边沿从原来的3.9 GHz扩展到了3.6 GHz,天线的宽度相比初始设计的天线也减少了约16.7%。所设计平面印刷Yagi天线同时实现了小型化和宽带化。实测结果表明该天线可以工作在3.6到11.6 GHz的频率范围。此外,群时延的测试结果表明该平面印刷Yagi天线具有良好的群时延特性。3.开口槽天线的带宽展宽和小型化技术。首先设计了一款具有宽频带特性的阶梯状开口槽天线。采用一对L形的窄槽缝和一个无源振子展宽了天线的阻抗带宽并提高了天线定向辐射的能力。加工天线的实测结果验证了该天线设计方案的有效性。实测结果表明该天线的阻抗带宽约为101%,覆盖了3.65到11.1 GHz的频率范围,同时天线具有较小的尺寸(30mm×30 mm)。其次,对渐变开槽天线的一种典型形式,Vivaldi天线的小型化技术进行了相关的研究,并设计了一款基于微带槽线转换结构的Vivaldi天线。该天线利用改进的地板结构增加了天线的电长度,进而实现了天线的小型化。同时采用阶梯状的连接结构提高了天线工作频带内的阻抗匹配特性。实测结果表明提出的技术方案是非常有效的,该天线可以在40 mm×45 mm的尺寸范围内实现约144.5%的阻抗带宽,覆盖2.45到15.2 GHz的频率范围,并且具有良好的群时延特性。4.反相馈电双偶极子天线(W8JK)的辐射机理和等效馈电结构。实际应用中,在平面结构内对双偶极子阵列天线实现一对同幅反相的馈电信号是很困难的,因而本文提出了一种采用左右馈电的新的等效馈电机理,解决了难以在平面结构内实现同幅反相馈电信号的难题。本文首先研究了反相馈电的双偶极子阵列天线(W8JK)的辐射机理,并从理论上分析了利用不等长度的单元结构实现定向辐射的可行性,然后讨论了采用一对平行耦合双线实现该等效馈电机理的结构,进而提出了一款基于微带巴伦实现一对同幅反相馈电信号的W8JK阵列天线。该天线的仿真和实测结果验证了所提出的等效馈电机理的正确性和有效性。最后,首次提出了基于同相功分器为W8JK阵列天线馈电的反相馈电网络。为验证所设计的反相馈电网络的有效性,设计并加工了一副W8JK阵列天线。天线的实测结果验证了该反相馈电网络的有效性。


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