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宽带/多频全向微带天线的研究与设计

于丹  
【摘要】:本文利用数学建模的方法分析了旋转对称结构微带天线的远区辐射场,得到了13个有关于辐射场相位和幅度的性质。然后以这些性质为基础设计制作了8款旋转对称结构的宽带或多频全向微带通信天线。1. 低剖面窄带全向圆极化微带天线低剖面窄带全向圆极化微带天线以中心馈电的圆形微带天线为基础,旋转对称地加载了6组涡旋槽和短路柱,分别用于控制远场的水平极化和垂直极化。该天线具有尺寸小、剖面低、结构简单、全向性好、俯仰面波束宽度宽的特点。2. 宽带全向圆极化天线宽带全向圆极化天线以低剖面窄带全向圆极化微带天线为原型,通过减小地板半径、减小介质半径、增加天线高度来拓宽其工作带宽,并保持原有的全向圆极化辐射特性不变。该天线同时工作在三个模式,它们分别为:TM01模式、圆盘顶部加载单极子模式、TM02模式,这三个模式可以合并成一个通带,从而得到了较宽的工作频带。经测试得到:该天线在远场辐射右旋圆极化波,阻抗带宽为57.9%,轴比带宽为51.7%。3. 宽带超低剖面圆极化微带天线宽带超低剖面圆极化微带天线以中心馈电的圆形微带贴片天线为基础,旋转对称地加载了短路柱和分支结构,分别用以控制θ极化和φ极化。该天线同时工作在三个谐振模式下,其中第一和第三个谐振模式分别为圆形微带天线的TM01模式和TM02模式,第二个谐振模式处于他们中间受控于分支结构。该天线宽带工作且辐射锥形右旋圆极化波,阻抗带宽为35.4%,轴比带宽为38%,其剖面高度为0.025λ,最大增益可达4.2 dBic。4. 应用于大型金属载体平台的宽带低剖面圆极化天线应用于大型金属载体平台的宽带低剖面圆极化天线以中心馈电的圆形微带贴片天线为基础,旋转对称地加载了准椭圆槽、径向槽以及短路柱。其中准椭圆槽和径向槽用于控制远场φ极化,短路柱用于控制远场θ极化。该天线同时工作在准椭圆槽的一对简并模式下,且该天线在这对简并模式下拥有相似的贴片表面电流分布,能够在远区辐射锥形左旋圆极化波。测试结果显示该天线的阻抗带宽为19.4%,轴比带宽为25.3%,剖面高度为0.083λ,最大增益可达6.5 dBic。由于天线的辐射性能对大地板的电尺寸并不敏感,因而可以直接被安装在户外大型金属载体平台上。5. 小型化双频双圆极化全向微带天线小型化双频双圆极化全向微带天线以中心馈电的圆形微带贴片天线为基础,在贴片上旋转对称地加载了两组不同的曲线槽,分别用于控制两个谐振频率。远场的8极化和φ极化分别由曲线槽和中心馈电探针提供。该天线工作在TM01模式和T1V102模式下,分别辐射左旋圆极化波和右旋圆极化波,且两个模式的谐振频率之比可通过调节曲线槽的尺寸而改变。这款天线结构简单、成本低、剖面低,适合安装在室内通信系统中。6. 双频水平/圆极化全向微带天线双频水平/圆极化全向微带天线也是以中心馈电的圆形微带贴片天线为基础,在地板上旋转对称地加载一组曲线槽用于控制远区的水平极化。该天线同时工作在TM01模式和TM02模式下,分别辐射全向右旋圆极化波和锥向水平极化波。这两个模式的有效工作带宽分别为9.6%和14.9%,其谐振频率之比可以通过调节地板上曲线槽的尺寸来大幅度调节。根据其工作频率,这款天线可应用在WLAN和WiMAX系统中。7. 三频全向微带天线三频全向微带天线是以中心背馈的圆形微带天线为基础,旋转对称地加载了6组短路柱和开缝椭圆环槽而成。经测试该天线谐振在2.4 GHz、3.5 GHz、5.7 GHz三个频段,其阻抗带宽分别为3.7% (2.39-2.48 GHz)、5.8% (3.33-3.53 GHz)、17.5%(5.2-6.2 GHz),它们分别属于顶部加载单极子模式、开缝椭圆环槽的TE110和TE210模式,其中顶部加载单极子模式是由短路柱的引入而得到。该天线的电尺寸为0.48λ×0.48λ×0.048 λ,其较低的剖面高度有利于作为室内吊顶天线。8. 多频全向印刷单极子天线多频全向印刷单极子天线是通过在微带传输线上添加两个电流弯曲结构而成。该天线谐振在2.4 GHz、3.5 GHz、4.2 GHz、5.2 GHz四个频段,阻抗带宽分别为6.2%(2.35-2.5 GHz)、8.5% (3.4-3.7 GHz)、3.6% (4.1-4.25 GHz)以及3.8%(5.15-5.35 GHz)。测试结果显示,该天线所添加的两个电流弯曲结构有效地抑制了由于反向电流出现而引起的E面方向图畸变的现象。


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