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移动通信系统中宽带天线及宽带阵列天线小型化技术研究

刘金海  
【摘要】:随着无线移动通信技术的不断发展,促使移动通信设备向着宽频带、小型化、集成化和智能化的方向发展。天线作为移动通信系统的前端部分,其电气性能的优劣直接影响着整个通信系统的工作性能。因此,开发出具有优越电性能的天线具有十分重要的意义。本文结合工程项目和当今天天线的研究热点,利用ANSYS HFSS高频仿真软件,对利用对称Γ形结构馈电的低剖面宽带全向天线、改进型弯折线巴伦馈电的宽带定向天线和宽带阵列天线小型化技术展开了研究。作者对上述天线进行了加工、测试,验证了技术方案的可行性和仿真结果的准确性。本文的研究内容主要包含以下几个方面:1.新型Γ形结构馈电的低剖面宽带全向天线研究。针对现代移动通信系统的发展需求,笔者设计了几款新型Γ形结构馈电的低剖面宽带全向天线:对称Γ形馈电结构中加载四分之一波长支节的宽带全向天线、内置馈电耦合匹配器的宽带全向天线、共面耦合寄生电容加载宽带全向天线。a)对称Γ形馈电结构中加载四分之一波长支节的宽带全向天线设计:首先,引入Γ形馈电结构,获得了具有低剖面特性的天线。并且利用对称的Γ形馈电结构馈电,可以有效的抑制辐射体横向电流的杂散辐射,从而降低天线的交叉极化电平。其次,在对称Γ形结构馈电结构的上引入一对四分之一波长阻抗匹配支节,使得天线的阻抗带宽获得了极大的展宽。最后,利用短路针将辐射贴片的四个引脚和与金属底板短路连接,降低了天线的谐振频率,从而获得了一款小型化的宽带低剖面全向天线。b)内置馈电耦合匹配器的宽带全向天线设计:首先,采用馈电结构上内置耦合线的方法,改善了馈电端口的阻抗匹配,拓展了天线的工作带宽。其次,利用对称的Γ形馈电结构确保了宽频带内辐射方向图的稳定性和天线的极化纯度。此外,利用辐射体边缘处多短路柱加载的方法,获得了尺寸较小的宽带全向天线。c)共面耦合寄生元件加载的宽带低剖面全向天线设计:在本节中首先引入了一种具有低剖面特性的Γ形馈电结构,并利用“L”形阻抗线与Γ形结构相结合,展宽了天线的阻抗带宽。其次,在Γ形结构平面上引入了共面耦合寄生元件。共面耦合寄生元件的引入,不仅可以存储能量、消除天线水平平面内电流的横向辐射场,从而实现了天线的垂直极化全向辐射和提高天线的极化纯度,并且引入了额外的谐振,使得天线阻抗带宽获得了显著增强。d)基于紧耦合技术的低剖面宽带全向天线设计。为了获得具有低剖面高度的天线,将单极子天线折叠90°形成Γ形单极子天线。同时,利用阵列天线的紧耦合技术,将相邻的Γ形单极子天线沿环形紧密排列组成环形阵列天线,则该环形紧耦合阵列获得了较宽的阻抗带宽和方位面内稳定的全向辐射方向图特性。并设计了一款一分六馈电网络为该环形紧耦合阵列天线馈电。2.基于改进型弯折线巴伦馈电的宽带定向天线。针对现代移动通信系统中宽频带天线的应用需求,本文设计了三款宽频带定向天线:弯折线巴伦馈电宽带折合振子天线,对称双元折合振子天线和短路探针加载的对称双环天线。a)弯折线巴伦馈电宽带折合振子天线:利用阶梯状弯折线巴伦结构对具有高阻抗特性折合振子天线馈电,有效的拓展了天线的阻抗带宽,使得天线达到了 43.9%的阻抗带宽。b)对称双元折合振子天线:本节从降低折合振子天线交叉极化出发,将两个相同的折合振子并联,得到了一款具有对称特性的双元折合振子天线。同时,由于双元折合振子天线对等幅同相馈电和双元天线的对称特性,使得辐射贴片表面的横向表面电流等幅反相,其在远场的杂散辐射则彼此相互抑制,因此获得了一款具有宽频带、低交叉极化特性的双元折合振子天线。c)短路探针加载的对称双环天线:首先,设计了一种对称双环结构辐射贴片。将弯折馈电巴伦和双环辐射体结构相结合,并采用等幅同相的双模馈电,不仅展宽了天线的阻抗带宽,而且极大的降低了天线的交叉极化电平。其次,利用辐射贴片中心线加载短路探针的方法,使得辐射体中心线上的表面电流强度显著增强,从而获得了一款具有宽频带、低交叉极化和高增益的宽带定向天线。3.宽带阵列天线小型化技术研究。基于紧耦合技术的阵列天线设计方法,本文设计了小型化的宽带阵列天线。a)互补式耦合馈电贴片天线设计:从宽带定向天线设计出发,利用缝隙耦合技术设计了一种具有差分馈电特性的宽带功分器,并通过馈电探针对辐射贴片进行差分馈电。因此,获得了一款具有宽频带、低交叉极化特性的定向辐射天线。b)设计了一种±45°双极化调谐环路馈电双极化贴片天线单元。该天线由辐射贴片和馈电环路组成。贴片可以看作是一个并联的RLC谐振电路(R代表辐射电阻,L代表电感,C代表电容),而调谐环路可以近似表示为串联谐振器。采用具有多阶匹配特性的调谐环路,可以有效的扩展天线的阻抗带宽。通过调谐环路将信号输送到耦合缝隙,并利用耦合缝隙形成互补式的磁电耦合馈电,从而获得了良好的差分馈电模式。同时,将两个调谐环路耦合馈电结构正交摆放,通过磁电耦合的方式为辐射体馈电,从而获得了一款±45°双极化天线单元。c)设计了一款1×10小型化宽带线性阵列天线。首先,研究了阵列天线的基本原理和设计方法,利用阵元间的互耦效应,通过高频仿真软件Ansys HFSS对阵元间距进行了仿真优化,获得一个仅占传统阵列长度71%的宽带小型化线阵。d)4×10宽带平面阵列天线设计。以10单元线阵为阵列天线单元,设计了一款8通道±45°双极化宽带平面阵列天线。与传统的阵列天线相比较,利用阵元间的互耦效应设计的平面阵列天线尺寸(长L=705mm,宽w=285mm,高H=25mm)缩小了约53.4%。电性能实测值满足基站天线指标要求,具有很好的商用价值。


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