介质谐振器天线的理论与设计方法研究

发布时间：2018-03-21 22:39

  本文选题：介质谐振器天线　切入点：介质谐振器　出处：《电子科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着无线通信系统的飞速发展,天线作为其关键性部件也受到了越来越多的关注。介质谐振器天线(dielectric resonator antenna,下文中简称为DRA)具有尺寸小、工作频带宽以及辐射效率高等特点,既能够广泛适用于目前工作频率较低的无线通信系统,又在毫米波通信系统中具有非凡的应用前景。本文对DRA的工作原理进行了研究,并提出了系统化的DRA设计方法。此外,还提出了几种新的DRA设计概念,并实现了良好的天线性能指标。本文的主要研究内容如下:1.开展了 DRA工作原理及设计方法的研究。研究了无源情况下介质谐振器储存能量和辐射能量的关系,基于理论推导分析了介质谐振器可以被用作为天线辐射结构的原因。从时域角度定义了 DRA的两个工作阶段,对这两个阶段内DRA中的能量关系进行了讨论。提出一个适用于DRA工程分析和设计的一阶近似分析设计模型,该模型将DRA分为辐射结构和馈电结构两个部分,并指出了该模型中DRA的性能参数与这两个组成部分之间的对应关系。此外还讨论了 DRA馈电结构对其辐射结构的影响作为对该一阶分析模型的补充。并在此基础上总结了一套系统化的DRA设计方法,并讲述了选择辐射结构和馈电结构时的基本原则。最后,基于电磁理论解释了混合DRA的工作原理,并提出了一款宽带圆极化混合DRA,实现了 24.6%的天线圆极化工作带宽。2.开展了 DRA新型辐射结构设计的研究。基于介质波导法和等效介电常数法对介质分层矩形谐振器进行了分析,给出了其中谐振模式的理论计算公式。在此基础上研究了宽带介质分层矩形DRA的工作原理,以及讨论了 DRA设计中经常遇到的空气缝隙问题。此外还分析了阶梯形介质谐振器,对其中的谐振模式进行了定义,并提出了一款双频宽带圆极化阶梯形DRA,该天线的两个圆极化工作带宽分别为9.7%和20.0%。3.开展了 DRA新型馈电结构设计的研究。提出了一种宽带优化DRA设计新思路。该方法使用宽带馈电结构来激励介质谐振器中的谐振模式,从而充分激发出介质谐振器中谐振模式的辐射能力。然后提出了单臂螺旋缝隙和阿基米德螺旋缝隙这两种宽带馈电结构,并基于这两种馈电结构研制了三款宽带圆极化DRA。其中阿基米德螺旋缝隙馈电的矩形DRA利用矩形介质谐振器的TE111x/TE111y模实现了 25.5%的天线圆极化工作带宽,阿基米德螺旋缝隙馈电的阶梯型DRA基于阶梯形介质谐振器的准TE111x/TEy111y模和准TE113x/TE113y模实现了 53.4%的天线圆极化工作带宽。4.开展了 DRA方向性设计新方法的研究。基于工作模式组合的概念提出了一种DRA方向性设计方法。基于该设计思路利用矩形介质谐振器的TE121x模和TE211y模进行组合,实现了一个全向矩形DRA,并将此合成的工作模式命名为准TM011模。给出了准TM011模谐振频率和场分布的解析计算公式,讨论了准TM011模的存在条件和激励方法。另外还证明了矩形DRA的TE141x模和TE411y模可以组合为一个高次的全向辐射模式准TM012模,并利用馈电探针同时激励起矩形DRA的准TM011模和准TM012模,实现了一款涵盖3.5GHz WiMAX频段和5.8GHz WLAN频段的双频全向矩形DRA。5.开展了 DRA新材料的研究。研究了使用纯水作为介质材料的新材料DRA。提出了一种提高纯水DRA辐射效率的方法,解决了纯水DRA辐射效率低的瓶颈性问题,使纯水DRA的实用成为可能。然后基于纯水DRA提出了一种结合超宽带馈电结构和频率可重构辐射结构的频率可重构天线设计新思路,并研制了两款频率可重构纯水DRA。其中阿基米德螺旋缝隙馈电的频率可重构纯水DRA具有圆极化性能,且实现了 155MHz-400MHz的连续频率可调范围以及高达90%的天线辐射效率。而锥形探针馈电的频率可重构纯水DRA具有全向辐射性能,且实现了 165MHz-700MHz的连续频率可调范围以及80%的天线平均辐射效率。这两款天线与目前文献中所报道的频率可重构天线相比具有频率可调范围宽和天线辐射效率高的优点。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN820

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本文编号：1645914