小型超宽带天线设计及其时域特性分析

发布时间：2017-08-23 08:00

  本文关键词：小型超宽带天线设计及其时域特性分析

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【摘要】：超宽带技术(UWB)利用其极宽的工作带宽,可以实现高速率无载波的数据传输。其超低的发射功率和对多径效应的不敏感使其更方便的应用于室内近距离的无线通信。多输入多输出技术(Multi-input Multi-output,MIMO)可以在不牺牲额外频谱资源和总发射功率的基础上成倍地提高通信系统的信道容量,同时也具有提高信道可靠性,抵抗多径衰落和降低误码率等优点。很长时间以来超宽带技术和MIMO技术一直都以各自的方式为未来无线通信提供新的解决方案。但随着无线通信业务的发展,尤其是室内近距离通信的急剧增长,相信在不远的将来对近距离无线通信的速度要求将会达到Gb/s的量级。为了应对未来高速无线通信的需求,有人提出了把超宽带技术和多天线技术相结合的新方法。通过充分利用超宽带技术的极宽带宽和MIMO技术的空间复用能力,使通信速度可以达到Gb/s的量级。本文结合研究课题,围绕超宽带天线及其陷波和多天线技术,以及超宽带天线的时域特性分析展开了研究工作,作者主要的研究内容包括以下几个方面：1.设计了多款结构紧凑的超宽带天线,包括窄地板结构的半月形超宽带天线、共面波导馈电的扇形超宽带天线、准自互补型的超宽带天线；对工作机理进行了分析,并给出了天线的阻抗带宽、增益、方向图、效率、群时延等参数。通过仿真结果和实验结果的对比可知,文中给出的超宽带天线都具有良好的工作性能,可以很好的满足未来无线通信对超宽带天线的各种需求。2.以三种地板结构的半圆形单极子超宽带天线和两种形式的类偶极子超宽带天线为基础,研究了天线地板结构和辐射贴片形式对超宽带天线脉冲波形保真性能的影响。通过在天线六个基本方向上设置虚拟探针,分析天线在不同方向上的信号传播特性,包括信号的时域波形、能量谱、保真度等。通过接收信号与原始激励信号的对比可知,尽管天线的辐射贴片形式有所不同,但切角地板结构形式的超宽带天线具有比其他两种天线形式更加优良的时域波形保真度的性能。3.提出了紧凑型超宽带天线陷波技术的多种实现形式,包括加载于辐射贴片上的Ω型弯折缝隙、加载于地板缝隙之上的双倒L枝节、加载于贴片缝隙上的倒T型枝节、具有四分之一波长工作特性的单端开路的平行双线结构；Q型弯折缝隙的陷波主要通过调节其与辐射贴片的边缘距离和自身长度实现；双倒L枝节的陷波特性主要通过调节其自身长度和自身与地板的距离来实现,而其在圆弧上的位置并不会对其陷波特性造成明显的影响；T型结通过形成末端开路谐振来实现陷波,但由于其需要占用一定的空间,所以该方法的应用对辐射贴片的整体面积有一定的要求；单端开路的平行双线结构在地板和辐射贴片之间建立一个短路通路,然后根据陷波频段的要求调节另一条末端开路线的电长度就可以实现在所需频段的陷波。4.以电小天线为基础,提出了具有紧凑结构的超宽带MIMO天线的两种新的实现形式。首先,提出了一种基于弯折单极子的超宽带MIMO天线,其极宽带宽的实现来自于弯折单极子与短路倒L寄生枝节间的容性耦合效应,且同时实现了天线单元间的高隔离；考虑到其实际的应用场景,对天线在靠近人头情况下的工作状态进行了分析和讨论。其次,提出了一种具有双陷波特性的超宽带MIMO天线,其加载的T型地板枝节实现了其在超宽频带上的去耦；并结合目前对超宽带通信中对陷波特性的需求,设计了具有双陷波特性的超宽带MIMO天线。5.根据准自互补天线单元自身的辐射特性,提出了一种紧凑的基于准自互补结构的两单元超宽带MIMO天线,并对其分集性能、群时延和靠近人头的工作状态进行了分析和讨论；通过比较可以看出,基于准自互补天线的超宽带MIMO天线具有天然的高隔离度,能够很好的满足未来无线通信对超宽带覆盖和分集性能的双重需求；最后,根据准自互补天线的工作特性进一步提出了四单元并行排列和四单元逆时针排列的两种四单元的超宽带MIMO天线,并对它们的工作性能进行了仿真和分析。
【关键词】：超宽带天线 陷波技术 多径效应 多输入多输出 准自互补天线
【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】：2015
【分类号】：TN822.8
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 符号对照表16-17
• 缩略语对照表17-21
• 第一章 绪论21-49
• 1.1 选题缘由和意义21-26
• 1.1.1 超宽带(UWB)天线的研究进展23-24
• 1.1.2 多天线(MA)技术的研究进展24-25
• 1.1.3 UWB-MIMO天线的研究进展25-26
• 1.2 国内外研究现状分析26-45
• 1.2.1 国外学者的研究27-37
• 1.2.2 国内学者的研究37-44
• 1.2.3 存在的主要问题44-45
• 1.3 论文的主要研究思路和研究方法45-49
• 1.3.1 研究思路45-46
• 1.3.2 研究方法46-49
• 第二章 基本理论概述49-63
• 2.1 引言49-50
• 2.2 超宽带天线的分类与设计原则50-52
• 2.2.1 超宽带天线的分类50-51
• 2.2.2 超宽带天线的设计原则51-52
• 2.3 超宽带(UWB)技术及其天线性能评估52-56
• 2.4 多输入多输出(MIMO)技术及其天线性能评估56-60
• 2.6 小结60-63
• 第三章 紧凑型超宽带天线设计与时域特性分析63-89
• 3.1 引言63-64
• 3.2 半月形超宽带天线设计64-68
• 3.2.1 半月形超宽带天线的结构64
• 3.2.2 R_1对半月形超宽带天线匹配的影响64-65
• 3.2.3 天线的测试结果与分析65-68
• 3.3 共面波导馈电的扇形超宽带天线设计68-72
• 3.3.1 共面波导馈电的扇形超宽带天线结构68-69
• 3.3.2 实物加工与测试69-72
• 3.4 准自互补超宽带天线设计72-76
• 3.4.1 准自互补天线的结构72
• 3.4.2 各关键尺寸对天线的影响72-73
• 3.4.3 实物加工与测试73-76
• 3.5 半圆形超宽带单极子天线的时域特性研究76-83
• 3.5.1 半圆形单极子天线结构76-77
• 3.5.2 三种超宽带天线的时域特性研究77-81
• 3.5.3 天线的实物加工和测试81-83
• 3.6 类偶极子超宽带天线的时域特性研究83-88
• 3.6.1 类偶极子超宽带天线结构83-84
• 3.6.2 两种天线的时域特性分析84-86
• 3.6.3 天线的加工与测试86-88
• 3.7 小结88-89
• 第四章 基于新型结构加载的紧凑型超宽带陷波天线设计89-107
• 4.1 引言89
• 4.2 Ω型缝隙加载的双陷波天线设计89-93
• 4.2.1 天线的设计与讨论90-91
• 4.2.2 实物加工与测试91-93
• 4.3 加载倒L型枝节的双陷波超宽带天线设计93-99
• 4.3.1 天线的结构94
• 4.3.2 天线设计过程的讨论与分析94-97
• 4.3.3 实测结果与分析97-99
• 4.4 基于T型和平行双线加载的双陷波天线设计99-105
• 4.4.1 天线的结构100
• 4.4.2 天线关键参数的讨论与分析100-104
• 4.4.3 实测结果与分析104-105
• 4.5 小结105-107
• 第五章 紧凑型UWB-MIMO天线设计与分析107-135
• 5.1 引言107-108
• 5.2 基于弯折单极子的紧凑型UWB-MIMO天线设计108-116
• 5.2.1 天线的结构设计108-110
• 5.2.2 天线加工与测试结果110-113
• 5.2.3 紧凑型超宽带MIMO天线+人头的仿真分析113-116
• 5.3 双陷波UWB-MIMO天线设计116-120
• 5.3.1 天线的设计116-117
• 5.3.2 天线结构、实物加工与测试117-120
• 5.4 基于准自互补特性的UWB-MIMO天线设计120-132
• 5.4.1 准自互补天线的基本特点121
• 5.4.2 两单元的UWB-MIMO天线121-128
• 5.4.3 四单元并行排列的UWB-MIMO天线128-130
• 5.4.4 四单元逆时针排列的UWB-MIMO天线130-132
• 5.6 小结132-135
• 第六章 结论和展望135-137
• 6.1 研究结论135-136
• 6.2 研究展望136-137
• 参考文献137-151
• 致谢151-153
• 作者简介153-154

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