小型超宽带印刷天线研究与设计

发布时间：2020-06-23 09:06

【摘要】：自从2002年美国联邦通信委员会批准了 3.1-10.6 GHz作为无须执照使用的UWB通信频段,UWB通信逐渐成为当前短距离通信的热点研究领域之一。作为UWB通信系统中的关键器件,UWB天线在整个系统中扮演着重要角色;UWB印刷天线由于具有平面结构、小尺寸、低成本和易于集成等优点,能很好地满足现代无线通信系统的需求,成为目前学术界的重要研究对象之一。本文着眼于UWB通信的实际应用需求,面向汽车通信和便携式终端应用领域以及WLAN/LTE/UWB通信应用,围绕UWB印刷天线设计中现存的一些关键技术问题进行了探讨和研究,所做的主要工作如下:1.面向汽车通信应用领域,设计了一款集成蓝牙、具有双带阻特性的UWB印刷天线。该天线采用微带线馈电方式,由带有阶梯槽的地板、一个准U型贴片和四个桩组成,整体尺寸为30×30mm2。通过在准U型贴片上加载桩“Stub1”和“Stub2”实现了蓝牙和UWB的组合,使该天线能支持更多的无线通信业务;通过在准U型贴片上加载桩“Stub3”和“Stub4”实现了WLAN低频段(5.15-5.35 GHz)和高频段(5.725-5.825 GHz)双带阻特性,使该天线能消除WLAN无线通信系统对UWB通信潜在的电磁干扰;此外,还分析了车载环境中天线安置环境对天线性能的影响,仿真结果表明该天线能很好地应用于汽车通信系统中;最后,以该天线作为天线单元,设计了一款应用于汽车通信的两单元集成蓝牙、具有双带阻特性的UWB MMO印刷天线。2.基于准自互补结构和半槽式结构的设计理念,提出了一种准自互补半槽式结构,并设计了一款两单元准自互补半槽式UWBMIMO印刷天线,该天线整体尺寸为22.8×18 mm2,工作带宽为2.88-11.87 GHz。该准自互补半槽式结构由一个半椭圆形贴片和一个准椭圆形的突出地板组成;仿真和测试结果表明该两单元准自互补半槽式UWB MIMO天线具有良好的定向辐射特性和宽频段特性,半椭圆形贴片和准椭圆形的突出地板都是天线的辐射单元;该两单元准自互补半槽式UWB MIMO天线结合了准自互补UWB MIMO天线和半槽式UWB MIMO天线两者的优点,在具有准自互补UWB MIMO天线不需要额外的去耦合结构就能实现天线单元之间良好的隔离度特性的同时,还能保持与半槽式UWBMIMO天线基本相同的小尺寸。其次,分别分析和讨论了便携式终端设备中无USB插口的PCB母板和带有USB插口的PCB母板对两单元准自互补半槽式UWB MIMO天线性能的影响,结果表明该天线可以很好地应用于智能手机等便携式终端设备中。最后,设计了一款四单元准自互补半槽式UWB MIMO印刷天线并对其相关性能进行了分析,进一步探讨了准自互补半槽式结构在UWB MIMO天线设计中的潜在应用价值。3.采用半槽式结构和改进的单极子天线半切技术,设计了一款四单元WLAN/LTE/UWB MIMO印刷天线,整体尺寸为31×31mm2,工作带宽为2-10.6 GHz。与两单元MIMO天线相比,四单元MIMO天线可以大幅度地提高通信信道的质量;该四单元WLAN/LTE/UWB MIMO天线的每个天线单元采用半槽式结构设计,由一个半椭圆形贴片和突出的地板组成,并按照逆时针顺序正交排列,这使得该MIMO天线能保持小尺寸和宽频段特性,并且天线单元之间具有良好的隔离度;采用改进的单极子天线半切技术,将初始的四单元半槽式MIMO天线中的椭圆形贴片沿着馈线的边缘切去,展宽了该MIMO天线的最高工作频段,从而满足WLAN/LTE/UWB通信应用对带宽的需求;此外,该四单元WLAN/LTE/UWB MIMO天线的四个天线单元采用共地结构,满足了 MIMO通信系统的实用性要求;测试和仿真结果表明该四单元WLAN/LTE/UWB MMO天线能很好地应用于现代无线通信系统中。最后,分析了便携式终端ABS塑料外壳对天线性能的影响。
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820
【图文】：

［Ｌｉ邋Ｌｊ逡逑：邋＇Ｗ逡逑＋３＿５邋？逡逑图１．１文献［２５］中的天线逦图１．２文献［２６］折技术逡逑术是指通过折叠天线的辐射枝节或馈线（ｆｅｅｄｉｎｇ邋ｌｉｎｅ）来减小天线的，在文献［２８］中，通过将天线的辐射枝节折叠的方式，展宽了天线的工为３５ｘ３５邋ｍｍ２。在文献［２９］中，通过将天线的微带馈线弯折的方式，减少到／／２邋＝邋６．３５ｍｍ，从而减小了天线的尺寸，如图１．４所术只是减少了天线的尺寸，并没有缩短电流路径。逡逑

在文献［３４］和Ｐ５］中，分别设计了邋Ｔ型结构单元和Ｕ型结构单元的分形天线，分别如图逡逑１．５和１．６所示。在文献［３６］和［３７］中，分别设计了邋Ｋｏｃｈ分形以及Ｇｉｕｓｅｐｐｅ邋Ｐｅａｎｏ和Ｓｉｅｒｐｉｎｓｋｉ逡逑分形组合结构的天线，分别如图１．７和１．８所示。逡逑＾逦Ｗｓｕｂ逦＾逡逑ｉｄ洰逦＾￣＾＝｜卜逡逑ＩＳ逦多邋＾逦Ｉ逦蜃邋Ｆｏｌｄｅｄ邋Ｔ－Ｓｈａｐｅｄ邋ｊ邋Ｕｎｉｔ－Ｃｅｌｌ邋蠢＋逡逑Ｗｉ邋＊■邋－邋Ｗｆ邋＊、Ｇａｐ逡逑图１．５文献［３４］中的天线逡逑４逡逑

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本文编号：2727106