【摘要】：隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展,電子系統(tǒng)逐漸朝著寬帶化、大容量和多功能的方向發(fā)展,這對(duì)天線的性能提出了更高的要求。為了覆蓋多個(gè)無線通信頻段,急需研究寬帶天線。此外,雙極化天線和極化可重構(gòu)天線由于可以頻率復(fù)用,提高通信系統(tǒng)容量和降低多徑衰落產(chǎn)生的信號(hào)損耗而備受關(guān)注。因此,將寬帶技術(shù)與雙極化和極化可重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合,是未來天線系統(tǒng)發(fā)展方向之一。另一方面,無線通信業(yè)務(wù)量需求飛速增長與無線頻譜資源緊缺的外在矛盾,正驅(qū)動(dòng)著無線通信標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)在變革。目前所使用的時(shí)分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)可以有效提高頻譜資源的利用率,而在此基礎(chǔ)上的同時(shí)同頻全雙工技術(shù)又可以將頻譜利用率提高近一倍,從而顯著提高系統(tǒng)吞吐量和容量,是一項(xiàng)非常有價(jià)值的移動(dòng)通信新技術(shù),也是5G潛在的關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文結(jié)合科研課題和無線通信系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn),設(shè)計(jì)了七款性能良好的天線,具體內(nèi)容如下:1.提出了一個(gè)寬帶二元偶極子天線陣列。為了在一個(gè)較寬的頻帶內(nèi)對(duì)該二元偶極子天線陣列饋電,設(shè)計(jì)了一個(gè)縫隙饋電結(jié)構(gòu)。該縫隙饋電結(jié)構(gòu)不僅可以當(dāng)作一個(gè)一分二的功分器使用,并且可以提供差分信號(hào),以便對(duì)偶極子天線進(jìn)行差分饋電。其次,為了進(jìn)一步減小該天線的電尺寸,在偶極子貼片附近加載了彎折型環(huán),在低頻處產(chǎn)生一個(gè)諧振點(diǎn),從而增加了該天線的工作帶寬,且其最低工作頻率可以向低頻移動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)天線的小型化。2.對(duì)具有寬帶、低剖面和高隔離特性的雙極化天線進(jìn)行了深入的研究。(a)采用電饋和磁饋的混合饋電方式設(shè)計(jì)了一個(gè)寬帶雙極化天線。所設(shè)計(jì)的電饋是由一對(duì)差分饋電的金屬探針構(gòu)成,為了補(bǔ)償探針引入的電感,在探針頂部加載了圓形金屬貼片。磁饋是由一對(duì)弧形的金屬貼片、地板和兩根金屬柱構(gòu)成。為了激勵(lì)該磁環(huán),采用了一個(gè)漸變式的巴倫;(b)基于電磁耦合設(shè)計(jì)一個(gè)寬帶低剖面雙極化貼片偶極子天線。該雙極化天線包括四個(gè)偶極子貼片單元,這四個(gè)偶極子貼片單元分成兩組,對(duì)每組偶極子貼片單元進(jìn)行差分饋電從而獲得較低的交叉極化并保證天線的最大輻射方向位于軸向。為了減小雙極化天線的剖面高度(電尺寸),首先通過調(diào)整這偶極子貼片單元之間的距離控制單元之間的電磁耦合獲得較低的工作頻率。其次,通過在四個(gè)單元相互靠近的一端設(shè)計(jì)了四個(gè)窄帶狀的枝節(jié),用于延長電流路徑,同時(shí)增強(qiáng)單元間電磁耦合,又進(jìn)一步減小了雙極化天線的工作頻率;(c)基于縫隙天線設(shè)計(jì)了一副寬帶低剖面雙極化天線,通過在金屬貼片上蝕刻出兩條階梯狀的槽線并采用兩條垂直放置的階梯狀的微帶線對(duì)縫隙進(jìn)行激勵(lì),從而使天線獲得了雙極化特性。相比于均勻槽線的輻射貼片來說,每一個(gè)階梯狀的槽線是由特性阻抗不同的槽線諧振器串聯(lián)而成,這為改善天線的阻抗特性提供了更多自由的設(shè)計(jì)變量,也更容易獲得較寬的阻抗匹配帶寬�；谶@個(gè)天線單元,設(shè)計(jì)了1×4的雙極化天線線陣,用兩個(gè)一分四的Wilkinson功分器對(duì)該線陣進(jìn)行饋電,獲得了天線高增益的特性;(d)基于所設(shè)計(jì)的人工磁導(dǎo)體(AMC)表面,設(shè)計(jì)了一個(gè)具有定向輻射特性的低剖面寬帶雙極化縫隙天線。研究了人工磁導(dǎo)體表面對(duì)天線輸入阻抗的影響以及人工磁導(dǎo)體表面與縫隙天線間的距離對(duì)縫隙天線阻抗匹配特性的影響。3.研究了寬帶極化可重構(gòu)法布里-珀羅諧振天線。設(shè)計(jì)了一個(gè)可在水平線極化和垂直線極化之間切換的寬帶天線。該天線的極化可重構(gòu)特性是利用一個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。為了獲得較寬的-10 dB阻抗帶寬,將作為饋源的微帶天線的諧振頻點(diǎn)設(shè)計(jì)在法布里-珀羅腔的諧振點(diǎn)附近,將多個(gè)頻率諧振點(diǎn)合并在一起獲得一個(gè)較寬的工作頻帶。為了獲得較寬的3 dB增益帶寬,設(shè)計(jì)了一個(gè)反射相位隨著頻率具有正斜率變化特性的部分反射表面(PRS)。然而,天線的3 dB增益帶寬依然不夠?qū)捛以?10 dB阻抗帶寬內(nèi)也不夠穩(wěn)定。為了改善這個(gè)問題,采用兩個(gè)單元對(duì)法布里-珀羅諧振腔進(jìn)行激勵(lì)。除此之外,在地板四周還放置了具有合適高度的金屬板。4.對(duì)同時(shí)同頻全雙工天線進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)一個(gè)具有同極化、超寬帶、高隔離度且可水平全向輻射的同時(shí)同頻全雙工天線。首先,分析了可以同時(shí)滿足發(fā)射天線與接收天線之間具有高隔離度且發(fā)射天線及接收天線在水平面擁有全向方向圖的全雙工天線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并根據(jù)超寬帶的目標(biāo)分析了可能用來設(shè)計(jì)該全雙工天線的天線類型。其次,對(duì)四單元環(huán)形陣列天線的陣因子所產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖進(jìn)行研究,這為后來天線的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。在文中,詳細(xì)介紹了天線的設(shè)計(jì)步驟。比如,為了獲得天線的小型化,在圓錐頂部加載了一個(gè)容性的圓形金屬貼片并設(shè)計(jì)了四個(gè)T型寄生枝節(jié),這些均是用來減小全雙工天線的最低工作頻率,從而使得天線具有小型化;為了在整個(gè)工作頻帶內(nèi)獲得水平面上的全向方向圖,根據(jù)陣列的方向圖乘積定理,合理地設(shè)計(jì)了四個(gè)引向單元。為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì),對(duì)天線進(jìn)行了加工和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,該天線實(shí)現(xiàn)了超寬帶特性,具有3:1的-10 dB工作帶寬,工作頻段為580MHz到1750MHz。在600MHz到1750MHz(2.9:1)的工作頻段內(nèi),發(fā)射端和接收端之間的隔離度大于40 dB。發(fā)射天線和接收天線具有相同的垂直線極化特性,并且在整個(gè)工作頻帶內(nèi),發(fā)射天線和接收天線實(shí)現(xiàn)了水平全向輻射,在水平面內(nèi),遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖不圓度(最大增益與最小增益之差)小于5 dB。
【圖文】：

文獻(xiàn)[38]中天線結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[40]中天線結(jié)構(gòu)
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN828.6

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本文編號(hào)：2711739