宽带多频圆极化微带滤波天线研究

发布时间：2020-10-14 07:24

　　 随着无线技术的不断革新,通信方式更加便捷,无线电频谱的划分更加密集,通信环境更加复杂,实现无线通信系统的“轻便化、多功能和高性能”成为亟待解决的问题。其中,实现射频前端小型化最大的障碍是滤波器和天线的尺寸,滤波器的小型化技术最近几年虽然有一定程度的发展,但是天线由于自身工作原理的限制,很难较好地实现小型化。传统上,射频前端的滤波器与天线各自分开设计,二者通过同轴线、波导或微带传输线直接连接。这种直接级联的方式可能会造成滤波器和天线端口不匹配,需要引入匹配电路,这样会使得电路系统更加复杂,尺寸变大,效率降低。即使级联后天线与滤波器阻抗匹配良好,二者之间的结构也可能存在较大的差异,不利于系统集成。因此,兼具辐射、滤波和平衡变换功能的滤波天线,由于其紧凑的融合结构和更高的效率而备受国内外学者的关注。本文对发展滤波天线的紧迫性与重要性进行了说明,回顾了滤波天线的发展过程,简明介绍了几组现有滤波天线的结构与性能,总结归纳了滤波天线的设计方法以及各自的优越性和侧重点。本文分别从宽频、多频、圆极化等角度出发,设计了三款结构紧凑、选择性好,辐射稳定的微带滤波天线。首先,本文提出了一款用于LTE通讯的小型化低剖面宽带滤波天线。该天线基于在辐射贴片上开缝实现陷波的方法,在视轴增益曲线的上下边频处分别引入辐射零点,使其上下边频陡峭。通过加载短路柱和刻蚀缝隙实现多模谐振,拓宽了其阻抗带宽,使之相对带宽达到了25.3%左右。接着,利用刻蚀缝隙的方法延长了辐射器表面的电流路径,实现了该天线的小型化,使其尺寸缩减了65%以上,并抑制了交叉极化和副瓣电平。文中对所设计天线结构改进前后的匹配、滤波和辐射性能进行了对比,分析了各个结构改变对其性能的影响。该天线工作频带宽,方向图稳定,视轴增益带内平坦,边带陡峭,带外拥有3个辐射零点,抑制较高,具有良好的带通滤波特性。其次,本文设计了一款应用于无线局域网络(WLAN)和全球互通微波访问(WiMAX)通讯的低剖面三频滤波天线。该天线基于天线取代耦合滤波器输出端口实现滤波天线的方法,使用三组辐射贴片置换了一个三通带滤波器的输出端口,从而得到了一款三频滤波天线。该天线利用开路枝节谐振器和电磁混合耦合在天线视轴增益曲线上引入了五个辐射零点,提高了天线的边带选择性;通过合并贴片谐振模式与滤波器的谐振模式在三个通带内均实现了双模谐振,拓宽了各个频带的带宽。该天线上的三组辐射贴片采用了共口径设计,结构紧凑,仅采用一层结构,剖面高度低(0.02λ_0),易于加工。它的低、中频带内增益平坦,辐射方向图稳定,带外拥有五个辐射零点,具有较好的带通滤波特性。最后,本文提出了一款高性能的圆极化滤波天线。具体设计方法为:首先,在微带贴片天线的辐射器上刻蚀缝隙实现了通带两侧均有辐射零点的线极化滤波天线单元,接着基于顺序旋转馈电实现了一个圆极化滤波天线阵列,最后通过加载耦合带通滤波器进一步改善天线阵列的滤波性能。该天线阵列结构紧凑,剖面高度低,视轴增益在通带内十分平坦,带外抑制度高,曲线矩形度高,滤波性能良好。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN822
【部分图文】：

的阻抗匹配，天线单向辐射，辐射效率高。该天线虽然一定程度上实现了二者整体的小型化，但是天线馈电线过长，结构不够紧凑。图1.1 集成有带通滤波器的贴片天线[22]2006 年，Lee 等人设计了一款采用 LTCC 材料工作于 V 波段的滤波天线阵列[23]，

加载增加了天线整体的体积和重量，并且引入了插入损耗损致使能量传输效率降低。（a）滤波天线阵列的三维视图 （b）滤波天线阵列的侧视图图1.2 采用 LTCC 的滤波天线阵列[23]2007 年，Troubat 等人提出了一款滤波天线设计[24]。该滤波天线基于复合微波电路相互综合的方法，具体结构如图 1.3 所示，该设计利用一段匹配结构连接了矩形腔体滤波器和缝隙天线，使滤波器和天线的端口阻抗得以匹配，完成了二者的融合设计构成滤波天线。该设计虽然一定程度上实现了滤波器和天线的集成，但是因为二者的结构相差甚远，导致占据的空间体积过大，很大一部分空间未能得到有效利用。滤波器和天线之间阻抗匹配结构的引入，也使得滤波天线整体结构更加复杂，体积与重量图1.3 基于复合微波电路相互综合法的滤波天线[

结构相差甚远，导致占据的空间体积过大，很大一部分空间未能得到有效利用。滤波器和天线之间阻抗匹配结构的引入，也使得滤波天线整体结构更加复杂，体积与重量图1.3 基于复合微波电路相互综合法的滤波天线[24]
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本文编号：2840374