宽带天线新技术及全双工天线的研究

发布时间：2020-06-13 21:00

【摘要】：随着无线通信技术的发展,电子系统逐渐朝着宽带化、大容量和多功能的方向发展,这对天线的性能提出了更高的要求。为了覆盖多个无线通信频段,急需研究宽带天线。此外,双极化天线和极化可重构天线由于可以频率复用,提高通信系统容量和降低多径衰落产生的信号损耗而备受关注。因此,将宽带技术与双极化和极化可重构技术相结合,是未来天线系统发展方向之一。另一方面,无线通信业务量需求飞速增长与无线频谱资源紧缺的外在矛盾,正驱动着无线通信标准的内在变革。目前所使用的时分双工(TDD)和频分双工(FDD)可以有效提高频谱资源的利用率,而在此基础上的同时同频全双工技术又可以将频谱利用率提高近一倍,从而显著提高系统吞吐量和容量,是一项非常有价值的移动通信新技术,也是5G潜在的关键技术之一。本论文结合科研课题和无线通信系统中的研究热点,设计了七款性能良好的天线,具体内容如下:1.提出了一个宽带二元偶极子天线阵列。为了在一个较宽的频带内对该二元偶极子天线阵列馈电,设计了一个缝隙馈电结构。该缝隙馈电结构不仅可以当作一个一分二的功分器使用,并且可以提供差分信号,以便对偶极子天线进行差分馈电。其次,为了进一步减小该天线的电尺寸,在偶极子贴片附近加载了弯折型环,在低频处产生一个谐振点,从而增加了该天线的工作带宽,且其最低工作频率可以向低频移动,进而实现天线的小型化。2.对具有宽带、低剖面和高隔离特性的双极化天线进行了深入的研究。(a)采用电馈和磁馈的混合馈电方式设计了一个宽带双极化天线。所设计的电馈是由一对差分馈电的金属探针构成,为了补偿探针引入的电感,在探针顶部加载了圆形金属贴片。磁馈是由一对弧形的金属贴片、地板和两根金属柱构成。为了激励该磁环,采用了一个渐变式的巴伦;(b)基于电磁耦合设计一个宽带低剖面双极化贴片偶极子天线。该双极化天线包括四个偶极子贴片单元,这四个偶极子贴片单元分成两组,对每组偶极子贴片单元进行差分馈电从而获得较低的交叉极化并保证天线的最大辐射方向位于轴向。为了减小双极化天线的剖面高度(电尺寸),首先通过调整这偶极子贴片单元之间的距离控制单元之间的电磁耦合获得较低的工作频率。其次,通过在四个单元相互靠近的一端设计了四个窄带状的枝节,用于延长电流路径,同时增强单元间电磁耦合,又进一步减小了双极化天线的工作频率;(c)基于缝隙天线设计了一副宽带低剖面双极化天线,通过在金属贴片上蚀刻出两条阶梯状的槽线并采用两条垂直放置的阶梯状的微带线对缝隙进行激励,从而使天线获得了双极化特性。相比于均匀槽线的辐射贴片来说,每一个阶梯状的槽线是由特性阻抗不同的槽线谐振器串联而成,这为改善天线的阻抗特性提供了更多自由的设计变量,也更容易获得较宽的阻抗匹配带宽。基于这个天线单元,设计了1×4的双极化天线线阵,用两个一分四的Wilkinson功分器对该线阵进行馈电,获得了天线高增益的特性;(d)基于所设计的人工磁导体(AMC)表面,设计了一个具有定向辐射特性的低剖面宽带双极化缝隙天线。研究了人工磁导体表面对天线输入阻抗的影响以及人工磁导体表面与缝隙天线间的距离对缝隙天线阻抗匹配特性的影响。3.研究了宽带极化可重构法布里-珀罗谐振天线。设计了一个可在水平线极化和垂直线极化之间切换的宽带天线。该天线的极化可重构特性是利用一个馈电网络实现的。为了获得较宽的-10 dB阻抗带宽,将作为馈源的微带天线的谐振频点设计在法布里-珀罗腔的谐振点附近,将多个频率谐振点合并在一起获得一个较宽的工作频带。为了获得较宽的3 dB增益带宽,设计了一个反射相位随着频率具有正斜率变化特性的部分反射表面(PRS)。然而,天线的3 dB增益带宽依然不够宽且在-10 dB阻抗带宽内也不够稳定。为了改善这个问题,采用两个单元对法布里-珀罗谐振腔进行激励。除此之外,在地板四周还放置了具有合适高度的金属板。4.对同时同频全双工天线进行研究。设计一个具有同极化、超宽带、高隔离度且可水平全向辐射的同时同频全双工天线。首先,分析了可以同时满足发射天线与接收天线之间具有高隔离度且发射天线及接收天线在水平面拥有全向方向图的全双工天线的拓扑结构,并根据超宽带的目标分析了可能用来设计该全双工天线的天线类型。其次,对四单元环形阵列天线的阵因子所产生的远场辐射方向图进行研究,这为后来天线的设计提供了理论指导。在文中,详细介绍了天线的设计步骤。比如,为了获得天线的小型化,在圆锥顶部加载了一个容性的圆形金属贴片并设计了四个T型寄生枝节,这些均是用来减小全双工天线的最低工作频率,从而使得天线具有小型化;为了在整个工作频带内获得水平面上的全向方向图,根据阵列的方向图乘积定理,合理地设计了四个引向单元。为了验证该设计,对天线进行了加工和测试。测试结果表明,该天线实现了超宽带特性,具有3:1的-10 dB工作带宽,工作频段为580MHz到1750MHz。在600MHz到1750MHz(2.9:1)的工作频段内,发射端和接收端之间的隔离度大于40 dB。发射天线和接收天线具有相同的垂直线极化特性,并且在整个工作频带内,发射天线和接收天线实现了水平全向辐射,在水平面内,远场辐射方向图不圆度(最大增益与最小增益之差)小于5 dB。
【图文】：

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【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN828.6

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