无线通信系统中可重构天线与阵列关键技术研究

发布时间：2021-04-07 08:49

　　随着现代无线通信技术的迅速发展和广泛应用,对无线通信系统在小型化、高速率、集成化以及多功能化等方面均提出了更高要求。可重构天线技术能够在不增加天线数量的情况下,通过电子、机械、材料等手段改变天线的工作频率、极化以及方向图等特性,可以使用单一天线实现多个天线的功能,能够极大改善系统的整体性能,且有利于系统的小型化和智能化。因此,对可重构天线技术的研究具有十分重要的理论和现实意义。本文紧紧围绕“无线通信系统中可重构天线与阵列关键技术”这一研究主题,开展了深入研究,取得了如下主要研究成果:一、提出了一种具有方向图可重构特性的宽带平面天线设计方法,并实现了两种方向图可重构阵列天线的研制。首先,基于基片集成腔体和层叠贴片结构,提出了一种新型宽带平面天线,其相对带宽可达到13.6%。在此基础上,利用基片集成腔体的结构对称性,在天线单元基片集成腔体的两条对边中心引入两个馈电端口,实现了宽带180°馈电相位差。基于该宽带天线单元设计了一个2?2天线阵列,通过对每个天线单元馈电端口的控制,实现了天线阵列的方向图重构功能。其次,为了进一步拓宽天线阵列的工作带宽并获得更多的波束重构状态,对以上天线单元进行了... 

【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：135 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

天线单元结构示意图

东南大学博士学位论文22直通端之间的插入损耗为0.7dB。将设计好的单刀双掷开关直接与天线单元的两个端口相连，端口1和2通过二极管和隔直电容与输入端相连，控制二极管的开通或断开就可以为天线单元选择不同的馈电端口。根据理论公式获得初始设计参数后，使用电磁仿真软件HFSS对该天线单元进行优化，优化后的最终设计参数如表2-1所示。图2-2（b）给出了优化后天线单元在不同馈电端口激励时反射系数和法向上增益随频率变化关系的仿真结果。仿真结果表明，该天线单元在不同的激励端口时有着相对一致的特性，仿真-10dB阻抗带宽为5.2-5.96GHz，相对带宽达到13.6%。同时，可以看出该天线单元在整个工作频带内具有较稳定的增益，并且最大增益达到10dBi。表2-1天线单元的最终设计参数（单位：mm）Lw0w1sαglf29.811.814.31.310°16dpw50h1h2h3gap11.751.680.76220.5082.82.2.222天线阵列结构与设计基于以上设计的宽带线极化二端口天线单元，本文设计了一个宽带方向图可重构22天线阵列。该天线阵列的馈电网络层结构示意图如图2-3所示。天线单元之间的间距为0.75个空气波长。馈电网络层包括一个一分四等功分器以及偏置电路，其中一分四等功分是由两级一分二等功分器级联而成。通过控制不同天线单元的馈电端口，可以产生不同的相位分布，进而可以产生不同的波束，图2-4给出了该天线阵列在不同波束状态下的仿真结果。四个天线单元的馈电端口与天线阵列的波束状态之间的关系列在表2-2中。图2-3方向图可重构22天线阵列的馈电层结构示意图

东南大学博士学位论文24有的偏置电路和直流电源线均设计在底层结构上，这样可以最大程度上减小偏置电路对天线性能的影响。利用矢量网络分析仪对该天线阵列的反射系数进行了测试。图2-6给出了该天线阵列工作在不同波束状态时测试反射系数与仿真结果的对比，仿真结果与测试结果基本吻合。从图中可以看出该天线阵列工作在和波束、X方向差波束、Y方向差波束以及双差波束状态下的测试-10dB阻抗带宽分别为5.18-6.01GHz、5.17-6.24GHz、5.17-6.23GHz和5.18-6.24GHz。该天线阵列在四种工作状态下的综合带宽为5.18-6.01GHz，相对带宽达到14.8%，与天线单元的阻抗带宽较接近。（a）（b）图2-5装配完成后的方向图可重构22天线阵列的实物照片。（a）顶层视图（b）馈电网络层视图（a）（b）（c）（d）图2-6方向图可重构22天线阵列在不同波束状态下反射系数仿真和测试结果。（a）和波束，（b）X方向差波束，（c）Y方向差波束，（d）双差波束

【参考文献】：
期刊论文
[1]A Reconfigurable Microstrip Patch Antenna with Frequency and Circular Polarization Diversities[J]. ZHANG Pengfei,LIU Shizhong,CHEN Rongrong,HUANG Xinglin.  Chinese Journal of Electronics. 2016(02)



本文编号：3123181