基于开口缝隙结构的宽带天线设计与研究
发布时间：2020-12-31 19:21
宽带技术因其高传输速率,大容量,低功耗等众多优点,将成为未来短距离通信发展的热点。作为射频前端元器件,宽带天线受到了广泛的关注和研究。本文基于开口缝隙结构,设计了多款谐振型宽带天线,并研究了开口缝隙结构与激励模式的关系,为开口缝隙宽带天线设计提供了有效途径。论文的主要研究内容如下:（1）通过减小已有开口缝隙天线设计的宽边尺寸,提出了一款结构紧凑、相对阻抗带宽约40%的矩形开口缝隙天线。在此基础上,通过增刻开口缝隙,进一步展宽了天线带宽,提出了相对带宽约为65%的T形开口缝隙天线。两款天线均通过改变单个谐振模式频率,实现了天线阻抗带宽在一定频率范围内可调,大幅地增加了宽带天线在设计过程的灵活性。（2）提出了两种开口缝隙结构的模式激励方法,在开口缝隙结构中激励了额外的两个谐振模式,大幅地展宽了开口缝隙天线的阻抗带宽。详细的分析了开口缝隙结构与模式激励间对应关系,为设计谐振型开口缝隙宽带天线提供了有效方法。（3）提出了一款对称开口缝隙天线以改善开口缝隙结构的定向辐射特性。结合研究的模式激励方法,对称开口缝隙天线激励出四个谐振模式,被设计工作在3.1-10.8GHz,覆盖了FCC（Federa...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几款Lodge提出的宽带偶极天线结构图[2]
1绪论3宽带天线发展的第二个历史阶段被认为是上世纪五十年代后至九十年代初，这个阶段宽带天线得到了蓬勃发展，涌现了一些了新的宽带天线结构，在通信和雷达探测的方面得到广泛的应用。其中著名的“频率无关”天线就出自这个时期，1958年VictorH指出宽带天线设计中的一大核心原则：只要天线的形状仅仅是角度的函数，那么它的阻抗与方向图特性都是与频率无关的，这也是著名的“等角原理”[8]。这些天线的性能只受到外形尺寸大小的影响，其中对数周期天线（图1-2(a)所示）、阿基米德螺旋天线（图1-2(b)所示）和平面等角螺旋天线（图1-2(c)所示）就是频率无关天线的典型例子。(a)(b)(c)图1-2（a）对数周期天线；（b）阿基米德螺旋天线；（c）平面等角螺旋天线Figure1-2(a)Log-periodicantenna;(b)Archimedeanspiralantenna;(c)PlanarEquiangularSpiralAntenna在此类天线结构中，天线大的尺寸部分用来实现对低频能量的辐射，而天线小尺寸部分则可以实现对高频能量的辐射，这使得频率无关天线容易获得宽带宽结果，和稳定的方向增益特性。也正因为天线的这个特点，频率无关天线的中心相位会随着频率变化，引起了其对信号的色散造成波形失真，使其不适用于现代的超宽带通信系统。此外，该宽带发展历史阶段还出现了一些其他经典的天线设计，如1962年玛利埃（Marie）提出的阶跃渐变缝隙天线、斯托尔（Stohr）提出了球面单极子天线以及哈尔姆（Harmuth）提出了大电流辐射器天线，同样都得到了广泛的使用。宽带天线发展的第三个历史阶段为二十世纪九十年代至今，伴随着FCC放开了对民用超宽带的限制，宽带天线得到了快速发展。其中最热门的当属微带结构天线的宽频带研究，微带天线具有低剖面，结构简单，易于集成等多个优点，是现代天线应用中最为广
为三类[10]：渐变结构、宽带谐振结构和加载型结构。在渐变结构中，渐变开口槽天线是最主要的形式之一，渐变开口槽的槽线结构是由传输线变化得来，通过在天线介质基片上的金属表面刻蚀渐变开槽线并对渐变槽的窄端馈电，使电磁波沿着渐变缝隙开槽方向远端辐射。渐变开槽天线根据槽线结构可分为：线性渐变开槽天线[11]、Fermi曲线渐变开槽天线[12,13]和指数开槽渐变天线（Vivaldi）[14,15]。Vivaldi因其具有于频率无关的特性，可实现很宽的天线带宽，并且具有低副瓣和良好的增益特性，被广泛的研究和使用，Vivaldi天线结构如图1-3(a)所示。之后，学者又提出了对跖Vivaldi天线[16-19]及平衡对跖Vivaldi天线[20]，通过改变微带线到渐变槽的转换馈电结构进一步改善了天线的阻抗匹配性能，展宽了天线的阻抗带宽。对跖Vivaldi天线如图1-3(b)所示。由于渐变结构天线获得宽阻抗带宽的工作原理是通过渐变结构实现输入阻抗（一般为50ohm）到自由空间阻抗的匹配（377ohm），渐变结构天线通常需要较大尺寸来实现整个带宽内的阻抗匹配，这使得了渐变结构天线无法顺应小型化天线的发展趋势和与平面电路集成，使其应用受到了限制。(a)(b)图1-3（a）Vivaldi天线结构图；（b）对跖Vivaldi天线Figure1-3(a)Geometryofvivaldiantenna;(b)Antipodalvivaldiantenna另一种展宽微带天线阻抗带宽的方法是采用具有宽频带特性的谐振结构，通过激励并合并多个相近频率的谐振模式，使天线可工作在超宽的频率范围。目前，宽频带谐振微带天线因其具有紧凑的体积，较低的剖面和灵活的设计方法，已经成为国际上超宽带天线研究的主流方向[10]。宽频带谐振结构天线中最常见的一种天线是平面印刷单极子天线，平面印刷单极子天线因其结构简单，体积紧凑和低廉的制作成本得到了广泛?
【参考文献】：
期刊论文
[1]微带天线的宽频带馈电技术[J]. 钟顺时. 电子科学学刊. 1988(05)
博士论文
[1]小型多模宽带基站天线研究[D]. 吴锐.华南理工大学 2018
[2]小型超宽带天线技术研究[D]. 吴江牛.电子科技大学 2015
[3]车载探地雷达系统的开发及其应用实验研究[D]. 许献磊.中国矿业大学（北京） 2013
[4]平面超宽带天线及其阵列研究[D]. 刘文坚.华南理工大学 2010
[5]超宽带天线及其阵列研究[D]. 张金平.中国科学技术大学 2007
硕士论文
[1]Vivaldi天线小型化的研究与设计[D]. 白红燕.南京邮电大学 2017
本文编号：2950169
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几款Lodge提出的宽带偶极天线结构图[2]
1绪论3宽带天线发展的第二个历史阶段被认为是上世纪五十年代后至九十年代初，这个阶段宽带天线得到了蓬勃发展，涌现了一些了新的宽带天线结构，在通信和雷达探测的方面得到广泛的应用。其中著名的“频率无关”天线就出自这个时期，1958年VictorH指出宽带天线设计中的一大核心原则：只要天线的形状仅仅是角度的函数，那么它的阻抗与方向图特性都是与频率无关的，这也是著名的“等角原理”[8]。这些天线的性能只受到外形尺寸大小的影响，其中对数周期天线（图1-2(a)所示）、阿基米德螺旋天线（图1-2(b)所示）和平面等角螺旋天线（图1-2(c)所示）就是频率无关天线的典型例子。(a)(b)(c)图1-2（a）对数周期天线；（b）阿基米德螺旋天线；（c）平面等角螺旋天线Figure1-2(a)Log-periodicantenna;(b)Archimedeanspiralantenna;(c)PlanarEquiangularSpiralAntenna在此类天线结构中，天线大的尺寸部分用来实现对低频能量的辐射，而天线小尺寸部分则可以实现对高频能量的辐射，这使得频率无关天线容易获得宽带宽结果，和稳定的方向增益特性。也正因为天线的这个特点，频率无关天线的中心相位会随着频率变化，引起了其对信号的色散造成波形失真，使其不适用于现代的超宽带通信系统。此外，该宽带发展历史阶段还出现了一些其他经典的天线设计，如1962年玛利埃（Marie）提出的阶跃渐变缝隙天线、斯托尔（Stohr）提出了球面单极子天线以及哈尔姆（Harmuth）提出了大电流辐射器天线，同样都得到了广泛的使用。宽带天线发展的第三个历史阶段为二十世纪九十年代至今，伴随着FCC放开了对民用超宽带的限制，宽带天线得到了快速发展。其中最热门的当属微带结构天线的宽频带研究，微带天线具有低剖面，结构简单，易于集成等多个优点，是现代天线应用中最为广
为三类[10]：渐变结构、宽带谐振结构和加载型结构。在渐变结构中，渐变开口槽天线是最主要的形式之一，渐变开口槽的槽线结构是由传输线变化得来，通过在天线介质基片上的金属表面刻蚀渐变开槽线并对渐变槽的窄端馈电，使电磁波沿着渐变缝隙开槽方向远端辐射。渐变开槽天线根据槽线结构可分为：线性渐变开槽天线[11]、Fermi曲线渐变开槽天线[12,13]和指数开槽渐变天线（Vivaldi）[14,15]。Vivaldi因其具有于频率无关的特性，可实现很宽的天线带宽，并且具有低副瓣和良好的增益特性，被广泛的研究和使用，Vivaldi天线结构如图1-3(a)所示。之后，学者又提出了对跖Vivaldi天线[16-19]及平衡对跖Vivaldi天线[20]，通过改变微带线到渐变槽的转换馈电结构进一步改善了天线的阻抗匹配性能，展宽了天线的阻抗带宽。对跖Vivaldi天线如图1-3(b)所示。由于渐变结构天线获得宽阻抗带宽的工作原理是通过渐变结构实现输入阻抗（一般为50ohm）到自由空间阻抗的匹配（377ohm），渐变结构天线通常需要较大尺寸来实现整个带宽内的阻抗匹配，这使得了渐变结构天线无法顺应小型化天线的发展趋势和与平面电路集成，使其应用受到了限制。(a)(b)图1-3（a）Vivaldi天线结构图；（b）对跖Vivaldi天线Figure1-3(a)Geometryofvivaldiantenna;(b)Antipodalvivaldiantenna另一种展宽微带天线阻抗带宽的方法是采用具有宽频带特性的谐振结构，通过激励并合并多个相近频率的谐振模式，使天线可工作在超宽的频率范围。目前，宽频带谐振微带天线因其具有紧凑的体积，较低的剖面和灵活的设计方法，已经成为国际上超宽带天线研究的主流方向[10]。宽频带谐振结构天线中最常见的一种天线是平面印刷单极子天线，平面印刷单极子天线因其结构简单，体积紧凑和低廉的制作成本得到了广泛?
【参考文献】：
期刊论文
[1]微带天线的宽频带馈电技术[J]. 钟顺时. 电子科学学刊. 1988(05)
博士论文
[1]小型多模宽带基站天线研究[D]. 吴锐.华南理工大学 2018
[2]小型超宽带天线技术研究[D]. 吴江牛.电子科技大学 2015
[3]车载探地雷达系统的开发及其应用实验研究[D]. 许献磊.中国矿业大学（北京） 2013
[4]平面超宽带天线及其阵列研究[D]. 刘文坚.华南理工大学 2010
[5]超宽带天线及其阵列研究[D]. 张金平.中国科学技术大学 2007
硕士论文
[1]Vivaldi天线小型化的研究与设计[D]. 白红燕.南京邮电大学 2017
本文编号：2950169
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