第一章  緒論 

1.1 課題研究的背景及意義 
1905 年，馬克尼通過改進赫茲所用的天線系統(tǒng)發(fā)明了方錐形天線，接著在隨后的一年里，創(chuàng)辦了正規(guī)的無線電通訊服務，揭開了無線通訊的帷幕。 步入 20 世紀，無線通信技術得到了突飛猛進的發(fā)展。導航雷達、空間探測、電子信息對抗和射電天文等無線電應用領域[4]的出現(xiàn)加速了無線電技術的發(fā)展，與此同時制作精度、加工工藝的不斷提升，特別是 VLSIC 技術、LTCC 技術、MIC 技術[5]的出現(xiàn)，使得現(xiàn)代通訊設備的體積變得越來越小，重量越來越輕，可并行處理信息的能力不斷提升，工作頻帶越來越寬。這些發(fā)展趨勢使得移動設備的射頻前端——天線部分遇到前所未有的挑戰(zhàn)[6]。如何才能設計出具有體積小、工作頻帶寬、可實現(xiàn)多點通信的印制天線是每個射頻研發(fā)人員需要考慮的問題。而微帶天線具有占用空間小、輻射能量集中、可與其它元器件集成到微波電路中、加工成本低等優(yōu)勢，目前廣泛用于雷達、導航、空間探測、以及其它無線通信領域�；诖耍疚膶μ炀�的結構進行全新的設計，并利用高頻電磁仿真軟件對其進行仿真優(yōu)化，設計了幾款具有小型化、寬帶化以及雙頻段等特性印制天線。 隨著生產、制造技術的不斷提升，汽車工業(yè)發(fā)展到一個鼎盛的時期。大量車輛的涌現(xiàn)，使原本暢通的道路變得十分擁擠，交通事故頻繁發(fā)生。根據日本 2003 年的道路交通事故統(tǒng)計數(shù)據，汽車追尾事件的發(fā)生率占該國交通事故的 30%以上，造成經濟損失約為 1230 億元美元。相對于日本，美國的交通事發(fā)生的更加頻繁，預計到 2020 年將有1500 億美元的經濟損失是由交通事故造成的[7-8]。
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1.2 國內外研究現(xiàn)狀
隨著通訊業(yè)務的不斷拓展以及用戶數(shù)量的增加，現(xiàn)有的頻率資源已經變得十分枯竭，無法滿足客戶的需求，需要通過一些技術手段來拓寬頻帶，提高頻率資源的利用率，而傳統(tǒng)意義上的天線只能單獨工作在某一個特定的頻帶，如果能夠設計一款天線使其工作在多個頻段，不但簡化了無線通信設備的復雜性，而且使得電子設備更加小型化、多任務化。 微帶天線、縫隙天線、倒 F 天線以及單極天線是幾種常見的多頻帶印刷天線[11-12]。其中，微帶天線具有低剖面、易于集成、定向輻射、工作頻帶窄的特點[13-17]。關于如何實現(xiàn)微帶天線的多頻帶化，文獻[18-24]提供了一些可供參考的設計方法。如文獻[18]中的 E 形天線是通過在矩形貼片邊緣開槽的方式實現(xiàn)三頻段工作；文獻[19]中的 E 形和 U形寬帶天線分別通過探針、孔徑耦合饋電方式來實現(xiàn) WLAN 頻段的工作，其中孔徑耦合饋電可拓寬頻帶的寬度；文獻[22]中的多頻段天線是通過采用彎折技術和開槽的方法實現(xiàn) Wi MAX 頻段通信。 倒 F 天線是由 1/4? 單極子天線衍變而來的。通過在接地平面和輻射單元間引入短路金屬片來增加天線的感性阻抗部分，保持天線的諧振特性。該印制天線具有非對稱的輻射方向圖、較小的尺寸、易于集成等特點，通常在 WiFi， Wi MAX ，WLAN 以及軍事方面[25]、ISM, HIPERLAN 和  UNII 頻段[26-28]  、筆記本電腦[29]、移動手機[30-33]等領域有廣泛的應用。 印刷單極天線在水平方向上呈現(xiàn)全向輻射特性，具有設計簡單、占地面積小、頻帶較寬、易于集成特點，廣泛應用于現(xiàn)代通訊中。印刷天線的多頻段、寬頻段特性的實現(xiàn)可以歸納為下面的幾種方法：  第一種是增加諧振枝節(jié)法。隨著通信技術和制作工藝的不斷提升，人們希望設計出幾款能夠工作在某些特定頻段的天線。而 N 端口饋電網絡理論的成熟，為設計者提供了一些設計思路即在單一頻段的天線結構上加入幾段諧振枝節(jié)，使其具有多頻段的工作特性，針對此國內外的一些學者進行了初步的探索。文獻[34]中給出了一種采用共面波導饋電的雙頻單極子天線，該印制天線更容易和微波電路集成、具有雙頻段的工作特性，短的諧振枝節(jié)工作在第一諧振模式(1781MHz 附近)，長的諧振枝節(jié)工作在第二諧振模式(2540MHz 附近)；文獻[35]介紹了一種共面波導饋電的三頻段單極子天線，該天線通過在單極子天線上附加加兩個諧振枝節(jié)實現(xiàn) 2.4GHz、3.5GHz 和 5.8GHz 這三頻段的通信。文獻[36]給出了一種微帶線饋電的多頻段單極子天線，該天線是由 E 型結構和 C 型結構構成，通過增加多個諧振枝節(jié)，構成多個等效諧振電路來實現(xiàn)多頻段工作特性。 
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第二章  天線及其陣列的基本理論

信息的傳輸促進了人與人之間的交流，使人們的生活方式變的豐富多彩，而人們生活水平的不斷提高，反過來對信息的傳輸提出了新的要求。從古代的烽火到近代的旗語、電報、電話，再到現(xiàn)代的無線電技術，人類從未停止過對高速有效傳輸方式的探索。天線作為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中重要的部件，提供了從傳輸線上的波導或電路中的高頻電流到空間電磁波的轉化。本章將系統(tǒng)的闡述天線的基本性能參數(shù)和組陣列理論，為后面幾章中的天線設計提供理論指導。

2.1 天線概述

天線是具有接收和發(fā)送功能的部件，可作為無線電子設備的射頻前端，完成信號的傳遞。作發(fā)射時，，首先將無線電通信線路中發(fā)射器或發(fā)射機攜帶的信息，轉化成與其匹配線路上的導行波，然后沿著漸變張開的傳輸線，將導行波向自由空間輻射，完成信息的發(fā)送，如圖 2.1(a)所示；作接收時，將自由空間中與天線極化方向相匹配的電磁波，轉化成電路中的電流信號，最后通過中頻信號處理模塊將獲取的模擬信號轉化成一定的信息，完成信息的傳遞。如圖 2.1(b)所示。天線的種類繁多，根據不同的分類方式可分為不同類型的天線。本節(jié)根據其應用的不同，將前人設計出來的天線分為以下幾種情況：  ① 線天線(wire  antenna)：如單極子天線、偶極子天線、環(huán)形天線等其他結構。這類天線工作頻率低、頻帶窄、增益低、重量輕、設計簡單、價格便宜，通常用在 HF 到UHF 頻段。 ② 印制天線（printed antenna）：印制偶極子天線、印制縫隙天線和微帶電路天線。這類天線通過光刻的方法將輻射元件和相應的饋電電路蝕刻在介質基片上，易于集成，常用在微波和毫米波電路設計中。 ③ 陣列天線(array antenna)：由某種特定規(guī)則排列的天線陣元和相應的饋電網絡組成的一個定向輻射器件。根據幾何結構又可以分為：直線陣、平面陣和共形陣。 ④ 孔徑天線(aperture  antenna):是微波和毫米波頻段普遍應用的天線，包括矩形喇叭、圓形喇叭、終端開路波導、發(fā)射器以及透鏡。 

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2.2  天線的基本參數(shù)
天線作為收發(fā)器件，位于傳輸線的終端，可視為高頻電路中傳輸線的一個負載[46]，其二端口網絡如圖2.2 所示。輻射方向圖(Field Pattern)是指天線輻射特性（如電場強度、相位大小、功率值和極化）與空間坐標的函數(shù)圖形。在沒有特別說明的情況下，輻射方向圖就是指場強方向圖，該圖形的獲取可通過兩種方法得到：一是對復雜的電磁問題建模并利用數(shù)學物理方法對該模型進行理論分析、求解，得到遠場區(qū)的輻射特性，計算并繪制出相應的方向圖；二是對待測的天線進行測量、記錄、分析數(shù)據，描繪出相應的輻射方向圖。 天線的極化是用來描述天線在遠場區(qū)最大增益方向上電磁波的極化特性。對于發(fā)射天線來說，天線的極化是指該天線在主波束范圍內最大增益處的極化特性；對于接收天線，其極化通常是指所接收到最大可用功率的電磁波極化特性。 根據極化方式的不同可以分為：線極化(Linearly  Polarized)、圓極化(Circularly Polarized)、橢圓極化(Elliptically Polarized)；線極化又包括水平極化(Horizontal Polarized)和垂直極化(Vertical Polarized)，區(qū)分的標準是電場矢量與地面的關系，若是平行關系就是水平極化，垂直關系則為垂直極化；對于圓極化和橢圓極化根據電場矢量的旋轉方式分為右旋極化或左旋極化.
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第三章  雙頻帶印刷天線設計與分析 .... 17 
3.1 微帶天線基本理論 ........... 17 
3.1.1 微帶天線結構及工作原理 ......... 17 
3.1.2 微帶天線饋電方式 ........... 19 
3.2 雙頻段微帶天線設計 ....... 19 
3.2.1  雙 1 型雙頻微帶天線設計與分析 ...... 20 
3.2.2 應用于 GSM/ DCS 的雙頻微帶天線設計與分析 ............. 24 
3.3 本章小結 ....... 30   
第四章  寬頻帶印刷天線設計與分析 ..... 31 
4.1  微帶天線頻帶拓寬技術 ............. 31
4.2  寬頻帶印刷天線設計 ....... 34 
4.2.1 樹葉形寬帶天線設計與分析 ...... 34 
4.2.2 酒杯形寬帶天線設計與分析 ...... 39
4.3 本章小結 ........ 44 
第五章  車載防撞雷達天線陣列的設計與分析 ......... 45 
5.1 車載防撞雷達系統(tǒng)介紹 .... 45
5.2 微帶天線陣基本原理 ........ 47 
5.2.1  微帶線陣 ....... 48 
5.2.2  微帶面陣 ....... 48 
5.3 24GHz 車載防撞雷達天線陣列設計 ............. 49
5.4 本章小結 ........ 57 

第五章  車載防撞雷達天線陣列的設計與分析 

現(xiàn)代電子技術的出現(xiàn)以及生產制造技術的不斷提升，促進了我國汽車制造業(yè)的發(fā)展。特別是汽車的出現(xiàn)加快了城鎮(zhèn)化的進程，同時也給城市的交通帶來了一些問題，建立一套完善的現(xiàn)代交通體系——智能交通系統(tǒng) ITS  ( Intelligent Transportation System )刻不容緩。車載防撞雷達是一種微波、毫米波雷達，具有高精度、體積小、易于集成、體積小等特點，廣泛應用于汽車防撞系統(tǒng)中。本章在介紹車載防撞雷達原理以及天線陣的基礎上，設計了一款工作在 24GHz 頻點處的寬頻帶、高增益的車載防撞雷達天線。 

5.1 車載防撞雷達系統(tǒng)介紹 
車載防撞雷達系統(tǒng)是由接收天線、接收前端、發(fā)射天線、發(fā)射前端、信號處理模塊、報警模塊以及汽車控制裝置這幾個部分組成，其原理框圖如圖 5.1 所示。 其中收發(fā)天線模塊通常是以微帶天線陣列實現(xiàn)的，具有易于集成、占用空間小、可靠性高、成本低等特點。收發(fā)前端作為車載防撞雷達系統(tǒng)的射頻部分，主要完成信號的調制和解調，以及射頻信號的收發(fā)。信號處理模塊屬于該通信系統(tǒng)的中頻部分，用來消除信道中的噪聲提取有用的信號或者信息，通過報警模塊提醒使用者或者直接控制車輛，避免交通事故的發(fā)生。 FMCW 雷達的工作原理可概括為：饋電部分將電信號傳遞給天線陣列，通過該天線將電信號轉化為一系列的連續(xù)調頻毫米波向特定的方向輻射出去，當碰到障礙物或者檢測目標以后被反射回來，反射信號與本振信號經混頻器混頻得到中頻信號，通過對中頻信號的處理，獲得目標物體的距離和車速等信息。圖 5.2 為車載雷達測距原理，其中發(fā)射信號的頻率是按照三角波調制電壓信號變化而變化的，由于收發(fā)信號的波形一樣，只是時間上有一個延遲，所以收發(fā)信號的波形圖與下圖 5.2(a)波形相吻合。
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結論

無線通信技術的飛速發(fā)展以及系統(tǒng)集成度的不斷提高，大大減小了通信系統(tǒng)的體積，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。天線作為無線通訊設備的收發(fā)前端，其體積的大小將影響整個系統(tǒng)的性能。印制天線具有體積小、易于集成等特點，可使設計出來的設備具有高集成度和穩(wěn)定性。 傳統(tǒng)的印制天線增益低、帶寬窄、工作頻帶單一，不能滿足寬帶通信系統(tǒng)的要求，如何才能設計出具有高增益、較寬的頻帶或者是多頻段的印制天線是當前的研究熱點。本文針對這些問題設計了幾款天線，可用來解決頻帶單一、增益低、帶寬窄的問題。 車載防撞雷達系統(tǒng)是為了解決交通問題，歐美國家提出了一種新的思路，該系統(tǒng)將新的信息處理技術、通信技術、控制技術、電子集成技術等新型技術手段應用在道路交通上，使交通系統(tǒng)協(xié)調統(tǒng)一，減少事故的發(fā)生。由于應用于汽車上所以要求該雷達應具有易于集成、高增益、體積小的特點，同時收發(fā)天線要盡可能的集成在一塊印制板上。本文針對此設計了一款高增益、易集成、體積小、具有一定的隔離度的車載防撞雷達天線陣。 
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參考文獻(略)

本文編號：84424