多天线通信系统中天线关键技术研究

发布时间：2020-10-14 16:43

　　 伴随着科学技术的快速发展,人们对无线通信的要求越来越高。尤其是高速率、高可靠性、低时延无线通信成为许多新应用场景的首要需求。无线通信系统性能的优劣主要取决于组成系统的各部件性能,包括天线、信号处理器、接收机等多个方面。其中天线作为无线通信系统最前端设备,对整个无线通信系统的性能产生重要影响。为了满足人们对大规模数据高速无线传输的需求,多天线技术已经开始被广泛研究,其中包括MIMO(Multiple-Intput and Multiple-Output)技术和认知无线电技术。MIMO技术是在发射端和接收端安装多对天线,利用无线信道的多径效应,能够多路并行同时传输信息,而认知无线电技术则可以根据需要动态调节设备的工作特性,实现最优高速传输。他们都能够在不增加额外频谱和发射功率的前提下显著提高数据传输速率和可靠性。在此背景下,本文针对多天线技术展开了研究,主要工作为:1.提出了两款耦合馈电共享辐射贴片极高端口隔离度二单元微带MIMO天线。详细研究了两款MIMO天线端口散射参数、辐射方向图、单元天线间的相关性、天线辐射效率、辐射增益等特性。单频微带MIMO天线谐振于5 GHz,能够应用于WLAN(Wireless Local Area Network)系统中。两个单元天线共用中间正方形辐射贴片,将二单元天线几何尺寸减小了50%。利用了缝隙加载技术进一步将天线尺寸减小8.48%,最终将天线平面尺寸缩小为一个边长为1 cm的正方形。同时利用极化分集、微扰和非对称馈电等综合技术提高了单元天线端口间隔离度,实现了工作频带内S12/S21-27.9dB,峰值达到-50.0 dB。双频微带MIMO天线的两个谐振频点分别为2.4 GHz和5 GHz,能够同时覆盖WLAN的高低两个频点。该双频天线谐振于基模和高次模,利用辐射贴片中心处加载的正方形缝隙修正了高次模谐振频点处畸变的辐射方向图。实测结果验证了两个天线的可行和可靠性。2.提出了基于离散寄生单元结构的单天线和MIMO天线。该系列天线结构主要分为离散寄生辐射结构和激励馈电结构两个部分。单元天线有四个寄生单元,是一款高增益宽频带线极化双层微带天线,阻抗带宽为27.0%,增益达6.52 dBi。两款二单元微带MIMO天线均有六个寄生单元,两款天线阻抗带宽分别为32.1%、26.6%,增益分别为6.52 dBi、6.47 dBi。四单元MIMO天线结构中共用了十个寄生单元,该天线阻抗带宽和辐射增益分别为23.8%、5.40 dBi。利用极化分集技术,MIMO天线端口隔离度均小于-15 dB。实测结果也验证了该系统四款天线的可行和可靠性。3.认知无线电是另一种有效提高频谱利用率的技术,系统主要前端设备是可重构天线。本文提出了两款结构相似、极化和频率同时可重构双层微带可重构天线。一款是利用PIN开关二级管对天线馈电结构进行重构而实现了对天线极化模式和谐振频率可重构,另一款是基于连续周期性地旋转上层辐射贴片而实现的可重构。第一款天线在线极化模式下能够在5.36 GHz和5.64 GHz两个频点间重构;同时在5.36 GHz频点处能够实现三种极化模式的重构,分别为线极化、左旋圆极化和右旋圆极化。第二款天线在线极化模式下能够在4.77 GHz和5.03 GHz两个频点间重构:同时在4.77 GHz频点处能够实现三种极化模式的重构。两款天线在每个工作模式下均获得了优于单层微带天线的辐射效率和辐射增益,分别达93.2%、5.57 dBi和80.6%、2.73 dBi4.提出了一款双频带三种极化模式可重构的单平面CPW(Coplanar Waveguide)馈电天线。两个频带的相对阻抗带宽分别为27.7%(2.30 GHz~3.04 GHz)和7.32%(4.34GHz~4.67 GHz)。详细研究了该天线的端口和辐射特性,因为该天线是单平面天线,垂直于天线平面的两个方向都有辐射,所以天线辐射效率较高,两个频带上分别达93%和92%。双向辐射同时也降低了天线增益,分别为2.30 dBi和3.52 dBi。实测结果验证了天线的可靠性。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN820
【部分图文】：

第一章 绪论频极化可重构和线极化模式下的频率可重构混合可重天线可以认为是一个性能极好的天线之一。重构天线可重构天线就是在保持天线谐振频点和极化模式不变的的天线。图可重构天线实现机理可以总结为三类： 分别为调节及改变天线材料特性。改变电特性是最常见的实现形式是利用寄生结构，对寄生结构进行电控调谐[114-116]；计了一种寄生振子天线[117]，如图 1- 3 所示。只要改变辐射振子天线表面的电流就会改变，波束的发射方向

都能被重构或者三个同时可以被重构的天线，另一种理解是在同一个天线中上述三性能够实现独立地切换。现在能够同时实现两个特性可重构的天线文献已经不少[130-135]，但同时实现三个可重构则相对较少。比如文献[136]中基于微带馈电的平面单极子天线实现了方向图化模式在保证频率一致的条件下同时可重构。Nghia Nguyen-Trong 等人 2015 年利带天线实现了极化和频率可重构[137]，天线的基本结构包括一个正方形金属贴片、边缘附近的四组金属短路支节和四个二极管以及调节相位的电容。通过控制二极管断，将正方形与不同边缘处的短路支节相连，同时加载电容改变天线的谐振频率，了天线频率和极化同时可重构，天线的结构模型如图 1-5（a）所示。Lei Ge 等人于 2基于缝隙天线实现了天线谐振频率[138]，辐射方向图和极化特性全部可重构的天线构如图 1-5（b）所示。三种特性的可重构是通过控制十字缝隙内的电子开关实现于辐射方向图，可以实现向前和向后两个方向上切换；对于极化，可以实现两种线间的切换或者两种圆极化间的切换；对于频率，在线极化状态下，频率可以在三个上切换，但是在圆极化状态下，频率可以在两个频段上切换。该天线基本实现了可天线的终极目标。

如图2-1 所示。具体是将传输线输出的射频导波能量变换为电磁波能量在自由空间中向远处传播或者将自由空间中的电磁波能量转换为射频导波能量传输给接收机。天线的主要用途是通过发射和接收电磁波实现信息传递。随着科技的发展，天线已经应用在诸多非信息传递领域，比如射频能量回收中使用的整流天线[139-140]、微波波束武器高能量辐射天线[141-142]等。为了完成上述功能，天线各种电参数指标，比如辐射效率、波束宽度、输入阻抗、极化、方向系数、增益和频带宽度等都必须满足一定的要求。下面对天线基本参数做简单介绍。图 2-1 天线能量转换示意图2.1.1 天线方向系数和增益天线方向系数定量描述天线辐射方向性的强弱。定义为在相同辐射功率条件下，最大辐射方向上，远场区某场点功率密度与各向均匀无方向性天线该点功率密度的比值：0rrMpSDS 相同， 相同(2-1)其中 SM和 S0分别为
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本文编号：2840923