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宽带小型化天线及其陷波技术研究

张耀辉  
【摘要】:随着无线通信频段的不断拓展,很多通信系统需要辐射方向图稳定的宽频带天线来覆盖多个工作频段;而多个频段之间的干扰频段,需要引入陷波功能进行抑制。由于宽带天线的物理尺寸是由天线的最低频率决定的,因此宽带天线的小型化设计对于缩减通信系统的物理尺寸有着重要的意义。宽带天线的辐射方向图和增益通常会随着频率变化而变化,进行天线的宽频带设计的同时,保证辐射方向图的稳定是一个研究难点。将陷波结构与宽带天线一体化设计,既可以在不增大天线体积的情况下引入陷波功能,也不会恶化天线的其它性能指标,甚至是改善工作频段的辐射性能。针对波束稳定、宽频带、小型化与陷波功能的需求,通过对宽带交叉偶极子天线和超宽带单极子天线的深入研究,本论文开展了辐射特性稳定的宽频带小型化天线及其陷波技术的课题研究。面向不同指标需求的通信系统,本论文的研究内容主要包括:面向基站应用的宽带双极化天线及其陷波技术。针对小型化2G/3G/4G基站天线单元的需求,提出一种双金属层馈电结构,使得交叉偶极子天线能够在1.7-2.85GHz的宽频带内实现稳定辐射特性的同时,实现天线的小型化,将天线单元面积缩小至45×45 mm~2。随着5G通信系统的发展,为了面向2G/3G/4G/5G基站应用,提出一种双环结构交叉偶极子天线,使得天线的频带拓展至1.7-3.7 GHz。为了抑制2.9-3.1 GHz干扰频段的信号,提出一种共面波导滤波结构,在不增加天线体积和加工组装难度的情况下,引入陷波功能,将2.9-3.1 GHz频段内的最小增益从8d Bi抑制至-13.5 d Bi。面向WLAN应用的宽带双极化天线及其陷波技术。面向2.4-5.85 GHz的WLAN等宽带双极化的应用,提出双金属层馈电结构馈电具有超宽带特性的双极化交叉偶极子天线,在VSWR2实现2.38-6.42 GHz(91.8%)的宽频带,辐射特性稳定。由于3.4-3.6 GHz频带内的蓝牙/Wi MAX/5G等通信系统可能对WLAN通信起到干扰作用,提出一种C形开口谐振环陷波结构。在天线内部引入该陷波结构,不仅可以将3.4-3.6 GHz频段内的最低增益抑制至-9 d Bi,还可以改善天线工作频段的匹配,降低天线高度,将WLAN 5-GHz频段的最低增益从6 d Bi提高至9.7 d Bi。宽带高增益圆极化天线及其陷波技术。针对定向辐射宽带圆极化天线的宽频带与高增益难以兼顾的问题,本论文研究分析交叉偶极子的圆极化实现,进而提出一种具有围栏的超宽带圆极化天线,VSWR1.5的阻抗带宽大于99.3%(1.51-4.49 GHz),3-d B轴比带宽为77.1%(1.68-3.79 GHz),轴比带宽内的圆极化增益大于7.1 d Bi。而面向WLAN双频段的应用,引入C形开口谐振环,实现陷波功能的同时,使3-d B轴比频带覆盖2.38-2.51 GHz和4.09-5.91 GHz(85.2%),轴比带宽内VSWR2,WLAN的2.4-GHz频段的圆极化增益大于6.8 d Bi,5-GHz频段的圆极化增益大于8.9 d Bi。超宽带低剖面垂直极化全向单极子天线及其陷波技术。对垂直极化全向辐射超宽带天线在高频波束畸变问题和天线小型化方面进行研究,提出一种3D金属打印的立体结构的倒F形垂直极化全向辐射超宽带天线,天线采用三角形馈电结构和梯形短路结构改善天线匹配,两个寄生金属柱改善天线高频的水平面方向图不圆度。倒F形的不对称结构既可以解决高频段方向图的上翘和畸变的问题,又可以实现小型化的尺寸体积(0.19λ_L×0.19λ_L×0.06λ_L)。天线VSWR3的阻抗带宽超过10:1(2.96-30 GHz),水平面辐射方向图不圆度小于±5 d B的带宽大于4.9:1(2.96-14.5 GHz)。进而在天线内部引入开口缝隙陷波结构,不仅实现了3.4-3.6GHz的阻带,而且能够进一步小型化天线尺寸,提出的陷波天线VSWR2的频带为2.4-2.5 GHz和5-10 GHz,工作频段内天线具有稳定的水平面辐射方向图,可用于WLAN等无线通信。


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