伴隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展,人們對無線通信的要求越來越高。尤其是高速率、高可靠性、低時延無線通信成為許多新應(yīng)用場景的首要需求。無線通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要取決于組成系統(tǒng)的各部件性能,包括天線、信號處理器、接收機等多個方面。其中天線作為無線通信系統(tǒng)最前端設(shè)備,對整個無線通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。為了滿足人們對大規(guī)模數(shù)據(jù)高速無線傳輸?shù)男枨?多天線技術(shù)已經(jīng)開始被廣泛研究,其中包括MIMO(Multiple-Intput and Multiple-Output)技術(shù)和認知無線電技術(shù)。MIMO技術(shù)是在發(fā)射端和接收端安裝多對天線,利用無線信道的多徑效應(yīng),能夠多路并行同時傳輸信息,而認知無線電技術(shù)則可以根據(jù)需要動態(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的工作特性,實現(xiàn)最優(yōu)高速傳輸。他們都能夠在不增加額外頻譜和發(fā)射功率的前提下顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性。在此背景下,本文針對多天線技術(shù)展開了研究,主要工作為:1.提出了兩款耦合饋電共享輻射貼片極高端口隔離度二單元微帶MIMO天線。詳細研究了兩款MIMO天線端口散射參數(shù)、輻射方向圖、單元天線間的相關(guān)性、天線輻射效率、輻射增益等特性。單頻微帶MIMO天線諧振于5 GHz,能夠應(yīng)用于WLAN(Wireless Local Area Network)系統(tǒng)中。兩個單元天線共用中間正方形輻射貼片,將二單元天線幾何尺寸減小了50%。利用了縫隙加載技術(shù)進一步將天線尺寸減小8.48%,最終將天線平面尺寸縮小為一個邊長為1 cm的正方形。同時利用極化分集、微擾和非對稱饋電等綜合技術(shù)提高了單元天線端口間隔離度,實現(xiàn)了工作頻帶內(nèi)S12/S21-27.9dB,峰值達到-50.0 dB。雙頻微帶MIMO天線的兩個諧振頻點分別為2.4 GHz和5 GHz,能夠同時覆蓋WLAN的高低兩個頻點。該雙頻天線諧振于基模和高次模,利用輻射貼片中心處加載的正方形縫隙修正了高次模諧振頻點處畸變的輻射方向圖。實測結(jié)果驗證了兩個天線的可行和可靠性。2.提出了基于離散寄生單元結(jié)構(gòu)的單天線和MIMO天線。該系列天線結(jié)構(gòu)主要分為離散寄生輻射結(jié)構(gòu)和激勵饋電結(jié)構(gòu)兩個部分。單元天線有四個寄生單元,是一款高增益寬頻帶線極化雙層微帶天線,阻抗帶寬為27.0%,增益達6.52 dBi。兩款二單元微帶MIMO天線均有六個寄生單元,兩款天線阻抗帶寬分別為32.1%、26.6%,增益分別為6.52 dBi、6.47 dBi。四單元MIMO天線結(jié)構(gòu)中共用了十個寄生單元,該天線阻抗帶寬和輻射增益分別為23.8%、5.40 dBi。利用極化分集技術(shù),MIMO天線端口隔離度均小于-15 dB。實測結(jié)果也驗證了該系統(tǒng)四款天線的可行和可靠性。3.認知無線電是另一種有效提高頻譜利用率的技術(shù),系統(tǒng)主要前端設(shè)備是可重構(gòu)天線。本文提出了兩款結(jié)構(gòu)相似、極化和頻率同時可重構(gòu)雙層微帶可重構(gòu)天線。一款是利用PIN開關(guān)二級管對天線饋電結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)而實現(xiàn)了對天線極化模式和諧振頻率可重構(gòu),另一款是基于連續(xù)周期性地旋轉(zhuǎn)上層輻射貼片而實現(xiàn)的可重構(gòu)。第一款天線在線極化模式下能夠在5.36 GHz和5.64 GHz兩個頻點間重構(gòu);同時在5.36 GHz頻點處能夠?qū)崿F(xiàn)三種極化模式的重構(gòu),分別為線極化、左旋圓極化和右旋圓極化。第二款天線在線極化模式下能夠在4.77 GHz和5.03 GHz兩個頻點間重構(gòu):同時在4.77 GHz頻點處能夠?qū)崿F(xiàn)三種極化模式的重構(gòu)。兩款天線在每個工作模式下均獲得了優(yōu)于單層微帶天線的輻射效率和輻射增益,分別達93.2%、5.57 dBi和80.6%、2.73 dBi4.提出了一款雙頻帶三種極化模式可重構(gòu)的單平面CPW(Coplanar Waveguide)饋電天線。兩個頻帶的相對阻抗帶寬分別為27.7%(2.30 GHz~3.04 GHz)和7.32%(4.34GHz~4.67 GHz)。詳細研究了該天線的端口和輻射特性,因為該天線是單平面天線,垂直于天線平面的兩個方向都有輻射,所以天線輻射效率較高,兩個頻帶上分別達93%和92%。雙向輻射同時也降低了天線增益,分別為2.30 dBi和3.52 dBi。實測結(jié)果驗證了天線的可靠性。
【學位單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN820
【部分圖文】：

第一章 緒論頻極化可重構(gòu)和線極化模式下的頻率可重構(gòu)混合可重天線可以認為是一個性能極好的天線之一。重構(gòu)天線可重構(gòu)天線就是在保持天線諧振頻點和極化模式不變的的天線。圖可重構(gòu)天線實現(xiàn)機理可以總結(jié)為三類： 分別為調(diào)節(jié)及改變天線材料特性。改變電特性是最常見的實現(xiàn)形式是利用寄生結(jié)構(gòu)，對寄生結(jié)構(gòu)進行電控調(diào)諧[114-116]；計了一種寄生振子天線[117]，如圖 1- 3 所示。只要改變輻射振子天線表面的電流就會改變，波束的發(fā)射方向

都能被重構(gòu)或者三個同時可以被重構(gòu)的天線，另一種理解是在同一個天線中上述三性能夠?qū)崿F(xiàn)獨立地切換�，F(xiàn)在能夠同時實現(xiàn)兩個特性可重構(gòu)的天線文獻已經(jīng)不少[130-135]，但同時實現(xiàn)三個可重構(gòu)則相對較少。比如文獻[136]中基于微帶饋電的平面單極子天線實現(xiàn)了方向圖化模式在保證頻率一致的條件下同時可重構(gòu)。Nghia Nguyen-Trong 等人 2015 年利帶天線實現(xiàn)了極化和頻率可重構(gòu)[137]，天線的基本結(jié)構(gòu)包括一個正方形金屬貼片、邊緣附近的四組金屬短路支節(jié)和四個二極管以及調(diào)節(jié)相位的電容。通過控制二極管斷，將正方形與不同邊緣處的短路支節(jié)相連，同時加載電容改變天線的諧振頻率，了天線頻率和極化同時可重構(gòu)，天線的結(jié)構(gòu)模型如圖 1-5（a）所示。Lei Ge 等人于 2基于縫隙天線實現(xiàn)了天線諧振頻率[138]，輻射方向圖和極化特性全部可重構(gòu)的天線構(gòu)如圖 1-5（b）所示。三種特性的可重構(gòu)是通過控制十字縫隙內(nèi)的電子開關(guān)實現(xiàn)于輻射方向圖，可以實現(xiàn)向前和向后兩個方向上切換；對于極化，可以實現(xiàn)兩種線間的切換或者兩種圓極化間的切換；對于頻率，在線極化狀態(tài)下，頻率可以在三個上切換，但是在圓極化狀態(tài)下，頻率可以在兩個頻段上切換。該天線基本實現(xiàn)了可天線的終極目標。

如圖2-1 所示。具體是將傳輸線輸出的射頻導(dǎo)波能量變換為電磁波能量在自由空間中向遠處傳播或者將自由空間中的電磁波能量轉(zhuǎn)換為射頻導(dǎo)波能量傳輸給接收機。天線的主要用途是通過發(fā)射和接收電磁波實現(xiàn)信息傳遞。隨著科技的發(fā)展，天線已經(jīng)應(yīng)用在諸多非信息傳遞領(lǐng)域，比如射頻能量回收中使用的整流天線[139-140]、微波波束武器高能量輻射天線[141-142]等。為了完成上述功能，天線各種電參數(shù)指標，比如輻射效率、波束寬度、輸入阻抗、極化、方向系數(shù)、增益和頻帶寬度等都必須滿足一定的要求。下面對天線基本參數(shù)做簡單介紹。圖 2-1 天線能量轉(zhuǎn)換示意圖2.1.1 天線方向系數(shù)和增益天線方向系數(shù)定量描述天線輻射方向性的強弱。定義為在相同輻射功率條件下，最大輻射方向上，遠場區(qū)某場點功率密度與各向均勻無方向性天線該點功率密度的比值：0rrMpSDS 相同， 相同(2-1)其中 SM和 S0分別為
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本文編號：2840923