终端天线有源与无源加载技术研究

发布时间：2020-05-04 23:41

【摘要】：随着通信技术的不断发展,天线作为信号发射和接收的媒介在无线通信系统中起着越来越重要的作用。终端天线是手持设备中所使用的天线的统称,而手持设备具有便携的特点,因此实现天线小型化、提高辐射效率是现阶段对终端天线的主要需求。随着理论和技术的发展,出现了很多可以优化天线的方法,其中天线加载技术在提升天线性能、缩小体积中的应用非常广泛。因此,本文主要研究了基于无源加载的RFID手持终端天线,以及基于有源Non-Foster元件加载的终端天线。本文的主要研究内容如下:首先,设计了一款工作于RFID中国频段(920-925MHz)的手持读写器终端天线。天线通过在金属贴片上蜿蜒开槽引导电流路径,由四个蜿蜒槽组成中心对称的四个辐射单元,通过这种结构增加辐射贴片的电流维度,增大天线前后比,提高辐射效率。使用威尔金森功分器对四个开槽单元等幅馈电,沿右旋方向相位90°滞后实现圆极化。功分器与天线单元之间由馈电壁连接,通过在馈电壁旁加载短路壁,调整天线输入阻抗。此外,通过在微带辐射贴片中心开方形槽引导电流路径,增加电流路径的长度缩小天线尺寸。除此之外,文章还研究了Non-Foster元件加载的单极终端天线,通过电路的加载减小天线尺寸。首先设计调试一个用于手持机的单极子天线,天线长度为7cm,经测试其谐振频点为1.14GHz。测试天线的输入阻抗可以发现,天线在400-678MHz的阻抗表现小电阻大电抗,其电抗可以等效为3pF的电容。因此需要设计一个等效为-3pF的Non-Foster电路,将其与天线串联以抵消天线的容抗,实现匹配的改善。通过ADS(Agilent Advanced Design System)对电路进行设计和仿真,并将天线的S参数导入电路中进行调试,得到阻抗带宽可以满足要求的电路仿真结果。由于Non-Foster电路具有正反馈的性质,此电路具有不稳定性,因此需要进行稳定型验证和调试,通过抑制其反馈回路增益的幅度并改变其对应的相位,使环路增益不满足自激条件而趋于稳定。文中使用了三种仿真方式进行稳定型仿真,以验证电路的稳定性能。经过加工和测试,此电路满足指标要求,天线串联电路后在400-678MHz频带内满足VSWR3。
【图文】：

电路图,无源,有源,电路

同时得到小型化和宽频带的特性。(a) (b)图1-1 无源匹配与有源 Non-Foster 电路匹配。(a)无源匹配示意图；(b)有源匹配示意图1.2 研究历史与现状加载技术作为提升天线性能的一种重要方式，在天线诞生以来便有了此方面的研究。数十年来，学者们积累了深厚的理论基础和研究成果。目前，无源加载技术和有源加载技术均有着非常广泛的应用。1.2.1 无源加载技术研究历史与现状无源加载技术从加载方式主要分为阻抗加载、短路加载、介质加载、开槽加载。阻抗加载可以为电阻加载和电抗加载。电阻加载是研究最早的加载方式之一，主要用于拓宽天线的阻抗带宽。1965 年，IEEE fellowT.T.Wu 和 R.W. King[4]尝试在中心馈电的圆柱形天线的两臂加载电阻，使其电流呈现行波分布，并使用解析方法计算加载的位置和阻值，在很宽的频带内得到了随频率变化较小的输入电阻和较为理想的输入电抗，使得天线接近与无反射状态。1967 年

加载方式,文献,阻抗带宽

和 Y. F. Lin 在文献[7]中使用贴片电阻替换了微带天线中的短路探针，使天线的阻抗带宽拓展为原来的 6.6 倍。图1-2 文献[7]中提到的加载方式同样，电抗加载也被用来改善阻抗匹配，提升阻抗带宽。使用集总元件串联在天线馈电端口是调节天线输入阻抗最简单的一种方法，但是传统的电容和电感都存在自谐振频率，当工作频率高于自谐振频率时，就无法呈现本身的电抗属性，，因此当天线工作于微波频段时，只能使用微带传输线对天线进行匹配。1989 年，H.F.Pues 使用传输线枝节对工作于 3.3GHz 的微带天线进行匹配，使其阻抗带宽得到了改善[8]。电容和电感在低频时可以使用集总元件，在较高的频段可以使用开路和短路传输线
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN828.6

【参考文献】