基于EBG结构的60GHz毫米波平面天线的研究与设计

发布时间：2017-10-21 13:07

  本文关键词：基于EBG结构的60GHz毫米波平面天线的研究与设计

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【摘要】：电磁带隙(Electromagnetic Band Gap, EBG)结构是由光子晶体带隙在微波中的应用演变而来的,主要分为传统蘑菇型电磁带隙(Conventional Mushroom Electromagnetic Band Gap, CMT-EBG)结构和平面紧凑型电磁带隙(Uniplanar Compact Electromagnetic Band Gap, UC-EBG)结构两类。主要具有两方面特性,分别为表面波带隙和同相反射相位特性。针对表面波带隙特性,主要分析色散曲线和S参数曲线；针对反射相位特性,主要分析反射相位曲线。本文针对光载无线通信系统对毫米波平面天线的要求,利用EBG结构特殊的电磁性能设计宽带化、高增益的天线,结论包括以下几个方面： 首先,研究了CMT-EBG结构对超宽带(Ultra Wideband, UWB)单极天线性能的改善。原始天线具有9.27GHz的带宽(1.73-11GHz),覆盖PCS、UMTS、Bluetooth、LTE、Wimax、UWB六个频段应用。本文中通过在UWB单极天线的馈线两侧分别加载3×3周期的CMT-EBG,天线的带宽由原来的9.27GHz拓展到了9.47GHz (1.53-11GHz),可额外覆盖GPS, DVB-H和DCS三个频段,获得了最大151%的相对带宽；之后又对CMT-EBG加载前后,两种天线的增益、辐射特性进行了对比。比较发现：在增益和辐射效率方面,除了5.19～5.93GHz频段范围内,加载CMT-EBG的UWB单极天线较之前的性能均有明显改善。在方向图方面,CMT-EBG的引入则不会产生大的影响。最后,利用FR4板材制作了该天线,并对仿真与实测结构进行了讨论对比。 其次,本文对60GHz电磁偶极子天线进行了深入研究。本文首先利用T型功率分配器对16个电磁偶极子天线单元进行4×4天线组阵。由于该天线为多层结构,所以设计的天线阵列为低温共热陶瓷(Low Temperature Cofired Ceramic, LTCC)工艺。与原天线相比,天线的增益由原来的4.53dBi提高到了17.67dBi,满足IEEE802.15.3c标准,具有较高的实用价值。然而,该天线阵列获得高增益的同时牺牲了天线小型化的特点。为了解决这个问题,本文设计了基于交叉型平面紧凑电磁带隙(Cross-Shape Uniplanar-Compact Electromagnetic Band Gap, CS-UC-EBG)结构的电磁偶极子天线,获得的相对带宽超过33%(50-70GHz),峰值增益平均值为11dBi,最大峰值增益由原来的4.7dBi提高到11.7dBi,获得了低成本、易制作、宽带化、高增益等特点。 最后,本文利用双向对称I形缝隙平面紧凑型电磁带隙(Bidirectional Symmetrical I-Shaped Slot Uniplanar-Compact Electromagnetic Band Gap, BSIS-UC-EBG)结构来进一步改善60GHz视觉透明单极天线性能。原始天线采用康宁7980透明介质板材进行制作,其介质基板的相对介电常数为3.8,损耗角正切值为0.0001,该天线的相对带宽为20.2%(55.5-68GHz),在60GHz的峰值增益为-5.3dBi。本文提出的BSIS-UC-EBG结构能等效为频率选择性表面或者高阻抗表面,该结构在±90。之间的同相反射相位带隙范围为58.0～62.1GHz,谐振点刚好落在60GHz。然后设计了一种基于BSIS-UC-EBG的60GHz视觉透明单极天线,结构包括菱形辐射贴片、两个共平面地、50欧姆的共面波导馈线和一个周期的BSIS-UC-EBG,整体尺寸为7×9mm2。该天线获得了36.6%(49.3-71.4GHz)的阻抗带宽和4.7dBi的60GHz峰值增益。与原天线相比,加载BSIS-UC-EBG结构后,天线的相对带宽提高了16.4个百分点,天线的增益在60GHz增加了10dB。 上述研究结果为设计和分析基于EBG结构的60GHz毫米波平面天线提供了指导,为EBG结构在天线中的应用提供了新的思路。
【关键词】：电磁带隙结构 毫米波 电磁偶极子天线 视觉透明单极天线 高增益 宽带化
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN823.27
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-25
• 1.1 引言14
• 1.2 电磁带隙结构的发展14-19
• 1.3 电磁带隙结构在天线中的应用19-21
• 1.4 本文的主要内容和安排21-25
• 1.4.1 论文的研究方法21
• 1.4.2 论文的研究思路21-22
• 1.4.3 论文的创新之处22-23
• 1.4.4 论文的主要内容23-25
• 第二章 电磁带隙结构的基本理论25-35
• 2.1 引言25
• 2.2 电磁带隙结构的等效电路模型25-26
• 2.3 电磁带隙结构的表面波带隙特性26-31
• 2.3.1 表面波带隙的产生原理26-29
• 2.3.2 表面波带隙的分析方法29-31
• 2.3.2.1 部分表面波带隙的分析方法29-30
• 2.3.2.2 全表面波带隙的分析方法30-31
• 2.4 电磁带隙结构的同相反射相位特性31-34
• 2.4.1 同相反射相位的产生原理32-33
• 2.4.2 同相反射相位的分析方法33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 基于CMT-EBG的UWB单极天线35-44
• 3.1 引言35
• 3.2 CMT-EBG的设计分析35-36
• 3.3 基于CMT-EBG的UWB单极天线的设计分析36-42
• 3.3.1 基于CMT-EBG的UWB单极天线的结构设计36-38
• 3.3.2 基于CMT-EBG的UWB单极天线的性能分析38-41
• 3.3.3 基于CMT-EBG的UWB单极天线的制作测试41-42
• 3.4 本章小结42-44
• 第四章 基于CS-UC-EBG的60GHz电磁偶极子天线44-56
• 4.1 引言44
• 4.2 CS-UC-EBG的设计分析44-46
• 4.3 60GHz电磁偶极子天线的设计分析46-52
• 4.3.1 60GHz电磁偶极子天线单元的设计分析46-49
• 4.3.1.1 基于PCB工艺的60GHz电磁偶极子天线单元的设计分析46-47
• 4.3.1.2 基于LTCC工艺的60GHz电磁偶极子天线单元的设计分析47-49
• 4.3.2 60GHz电磁偶极子天线阵列的设计分析49-52
• 4.4 基于CS-UC-EBG的60GHz电磁偶极子天线的设计分析52-54
• 4.4.1 基于CS-UC-EBG的60GHz电磁偶极子天线的结构设计52-53
• 4.4.2 基于CS-UC-EBG的60GHz电磁偶极子天线的性能分析53-54
• 4.5 本章小结54-56
• 第五章 基于BSIS-UC-EBG的60GHz视觉透明单极天线56-65
• 5.1 引言56
• 5.2 BSIS-UC-EBG的设计分析56-60
• 5.2.1 BSIS-UC-EBG的结构设计57-58
• 5.2.2 BSIS-UC-EBG的性能分析58-60
• 5.3 基于BSIS-UC-EBG的60GHz视觉透明单极天线的设计分析60-64
• 5.3.1 基于BSIS-UC-EBG的60GHz视觉透明单极天线的结构设计60-62
• 5.3.2 基于BSIS-UC-EBG的60GHz视觉透明单极天线的性能分析62-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 全文总结65-67
• 英文缩略语67-69
• 参考文献69-77
• 致谢77-78
• 攻读硕士学位期间发表的论文专利78-79

【共引文献】

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 王义富;可控的人工结构材料及其在天线中的应用[D];中国科学院研究生院（光电技术研究所）;2013年

2 龚琦;高阻抗表面控制天线雷达截面技术研究[D];西安电子科技大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 魏欣;高阻抗表面在电磁噪声抑制和天线设计中的应用研究[D];浙江大学;2015年

2 王绪东;基于EBG结构的多频天线与陷波超宽带天线的研究[D];北京邮电大学;2015年

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本文编号：1073507