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小型化宽带天线的研究与设计

李伟  
【摘要】:随着现代无线通信系统的飞速发展,通信频段不断向着多标准和宽频带方向发展,这些对系统中器件都提出了更高的要求,而天线是无线系统中的关键部件,小型化、宽频带、易集成已经成为当下天线设计的发展趋势。微带天线因具备相对应的这些特征,引起了世界的广泛研究和关注,成为天线设计的热点问题。由此,本文以高性能小型化宽带天线为研究课题,重点研究了宽带性能提升的实现技术、天线的小型化问题以及宽带阵列天线的设计等问题。主要研究内容分为以下四部分:第一部分介绍了天线设计主要参数的概念及计算方法,接着介绍了微带天线相关的基本理论以及常用的分析方法包括传输线和空腔模型分析法,之后介绍了宽带天线的设计以及提高天线工作带宽的常用设计方法,最后介绍了阵列天线基本理论、馈电网络的设计与选择以及阵列方向性合成的方向图乘积定理等。第二部分提出了基于对称双环形槽线结构的天线,并结合电磁场理论和传输线理论提出其等效电路模型,通过理论计算可以较准确的得到天线的谐振频率。该结构产生的两个谐振点可以通过环形槽线和中间的连接槽线的长度进行合理调节,等效模型理论为该结构天线的设计提供有效的指导,该天线结构具有结构紧凑、设计简单的优点。第三部分提出基于缺陷环形槽线的天线结构,提出在环形槽线上引入缺陷结构来有效提高天线工作带宽的方法,该方法同时还可以保持天线尺寸基本不变,同时可以通过合理调整缺陷结构及其参数来达到带宽的设计要求,灵活调配天线的工作带宽。该部分设计的天线可以覆盖20-45 GHz带宽内的5G频段,同时该方法也可应用于其他微波无源电路的设计以及其他毫米波通信系统中。最后对天线结构进行加工实物与测试,进一步验证设计的正确性。第四部分提出了面向5G通信系统的宽带阵列天线,该阵列天线以缺陷环形槽线结构天线作为基本单元,设计了对应宽带功分器以及馈电网络,用于四、八、十六、三十二单元阵列天线的设计,阵列整体排布结构紧凑,减小了馈电网络对天线整体尺寸增大的影响。最后对各款阵列天线进行了实际加工测试,具备良好的宽带性能。


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