宽频带定向天线及强耦合阵列天线研究

发布时间：2017-12-18 17:03

  本文关键词：宽频带定向天线及强耦合阵列天线研究

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【摘要】：现代移动通信、雷达以及电子对抗系统的不断发展,促使着通信设备朝着集成化、小型化、多功能化方向前进,因此通信系统对天线及阵列天线的工作带宽特性、辐射特性和体积尺寸等都有了更高的要求。本文结合科研项目和天线技术研究热点,对基于改进型振子的宽带定向天线、宽带高增益天线和强耦合阵列天线进行了研究,所取得的研究成果可以分为以下四个方面：1. 基于改进型振子的宽带定向天线研究。针对新一代宽带移动通信系统,我们主要设计了两款基于改进型振子的宽带定向天线：宽带四叶型定向天线和宽带双元折合振子定向天线。a)宽带四叶型振子定向天线：通过合理设计辐射单元与寄生单元的间隙和馈电巴伦,从而获得宽带的工作特性,并将辐射圆环替代辐射贴片以减少与地板之间耦合,利用方形金属反射腔确保宽频带内良好方向图特性,而获得了尺寸较小的宽带四叶型振子定向天线。b)宽带双元折合振子定向天线设计：从内置巴伦的宽带折合振子天线出发,利用多节微带馈线,优化了折合振子中两个振子的宽度和间距,设计了宽带双元折合振子。通过边缘弯折金属板的反射,则得到在工作频带内方向图特性良好的宽带双元折合振子定向天线。随后利用同轴线改进了宽带折合振子馈电结构,以此为阵元设计出低剖面双频高增益基站阵列天线。2. 基于方向性增强技术的宽带高增益天线研究。为了在不增加天线单元数目情况下提升天线的增益,本文采用了三种不同的方向性增强技术而设计出三类宽带高增益天线：八木天线、人工电磁材料加载的Vivaldi天线和Fabry-perot谐振腔天线。a)宽带高增益八木天线设计：从一维宽带八木天线出发,将八木天线的引向单元阵列从一维阵列变为二维引向单元阵列和三维引向单元阵列。引向单元阵列维数的增加提高了引向阵列的方向性增强能力和稳定性,并分别以宽带双元折合振子和金属地板为激励单元和反射单元,设计出宽带高增益八木天线。b)人工电磁材料加载的Vivialdi天线：提出了E型周期性金属结构,对其进行电磁仿真并提取其等效折射率,可以得到该E型周期结构可以在很宽的频带等效为折射率实部大于1的均匀介质。通过该E型结构的人工电磁材料加载,Vivaldi天线的增益在很宽频带内都有了较大的提高。c)Fabry-perot谐振腔天线：设计了具有正斜率反射相位的部分反射频率选择表面,在较宽频带内满足了Fabry-perot腔谐振条件,并利用金属方环改善天线高频处的方向图特性,设计了阻抗匹配和3dB增益带宽特性良好的Fabry-perot谐振腔天线。3. 超宽带强耦合对称振子阵列天线研究。基于强耦合技术的工作机理,本文设计了超宽带强耦合对称振子阵列天线。首先选用领结型对称振子作为阵列单元,利用金属贴片覆层代替介质覆层,减少了加工难度与费用。利用微带转平行双线的馈电巴伦为阵列单元馈电,并利用金属短路柱改善一维无限周期阵列单元的H面方向图。将该阵列单元排布成2×8强耦合对称振子阵列天线,并对边缘单元和中心单元进行互耦系数分析。针对2×8强耦合对称振子阵列天线的截断效应,分别采用在边缘单元处放置垂直短路金属平板和延伸边缘单元辐射臂的方法对阵列进行截断处理。最后设计了超宽带微带馈电网络对该阵列进行馈电,并对两种阵列天线进行了加工和实验验证。4. 基于强耦合技术的宽带水平极化全向天线设计。为了解决强耦合阵列的截断效应,将多个阵列单元沿圆形排布而组成环形强耦合阵列天线,则该环形强耦合阵列天线具有良好的阻抗匹配和水平面方向图不圆度特性。在此方法的基础上设计了两款宽带水平极化全向天线。a)宽带水平极化12元型全向天线：选用对称振子作为阵列单元,阵元间电容耦合可以通过对称振子相邻的两臂上下交叠而得。分析了阵元数目对阵元阻抗匹配特性和水平面方向图的影响,选用环天线的阵元数目为12个,并利用引向单元改善高频处天线俯仰面方向图。最后,设计了一款宽带1分12的馈电网络为该环天线馈电。b)宽带水平极化6元型全向天线：选用对称振子作为阵列单元,阵元间电容耦合可以通过对称振子相邻的两臂末端交叉而得。选用环天线的阵元数目为6个将第一款环天线的尺寸减少36%,并同时保持覆盖了2G/3G/4G频段,最后采用了一款1分6的宽带馈电网络为环天线馈电。
【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】：2016
【分类号】：TN820

【参考文献】

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本文编号：1304918