微帶天線的小型化和多頻段研究

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1.論文選題的目的和意義

微帶天線以其體積小,剖面低,易集成,造價低等特性以及良好的性能受到廣泛的關注.隨着移動通信系統業務的不斷增加,通信設備不斷向小型化發展,對夭線體積,集成化及工作頻段的要求也越來越高.在某些通信場合,所用的頻段很低,例如低於1ghz,有時甚至只400-500mhz,此時傳統的半波長微帶天線尺寸偏大.為此必須採用一定措施進一步減小微帶天線的尺寸.現代移動通信要求天線能具有多頻段(或寬頻帶)工作的能力.設計出實用的小型化,多頻度微帶天線己經成為一個迫切的要求.研究和設計性能優良的小型化多頻段微帶天線是本論文的主要工作.在必須考慮大小,重量,價格,特性要求,易安裝以及符合氣體動力外觀等因素的高性能飛機,衞星以及全球定位系統,移動通訊和無線通訊等諸多高度發展的應用中都需要具有低剖面,能平貼於任何平面或曲面的外觀特性,易製作,而且易與微波集成電路集成等優點的微帶天線.而微帶天線本質上所具有的高品質因數,窄頻帶,低效率等缺點也大大限制了它們的應用.因此,越來越多的研究投入放在如何改善它們的缺點,充分利用它們的優點,使它們更適合於實際的應用上.

在這些研究中,除了基礎理論方面的討論外,隨着全球通信產業的高度發展而帶來的應用研究則主要包含了能工作於雙頻,多頻帶的天線設計以及能增加頻寬的天線設計.能工作於雙頻帶的天線可以用為收發共用的天線,以處理同步進行接收與發射的兩個分離頻段的信號.另外,為了適應目前無線通訊中越來越高的帶寬要求,改善微帶天線窄頻帶特性的設計亦成為重要的研究課題之一.在過去的研究中已出現了許多設計方法,但有利有弊,不是很理想.例如使用厚介質基片材料以增加天線頻寬的設計在加大帶寬的同時,使所使用的天線體積也加大了.而進一步將天線體積縮小後,又會產生減小帶寬或使天線增益降低等缺點.因此 , 在上述的前提下,本文將針對如何保持微帶天線小型化的同時,對微帶天線多頻段,寬頻帶工作特性進行研究,同時設計兩種新型的天線結構.

2.課題名稱和課題來源

課題名稱:微帶天線的小型化多頻段研究

課題來源:本課題來源於現代通訊技術的實際需要.

3.前人在本課題研究領域的成果簡介

微帶天線的概念早在1953年就由deschamps提出.從70年代起,微帶天線隨着應用領域的快速擴展而開始被廣泛的研究和使用.其中,許多學者和工程師對微帶天線的雙頻,多頻操作進行了大量的研究應用.早期發展的結構為堆疊式與共平面式的結構,之後隨着頻率比,極化要求以及整體天線體積上的要求,並配合不同的饋入方式而有各種不同設計結構出現.例如有使用多個寄生元件或兩個獨立輻射元件的結構,有利用單一饋源或同時使用兩個獨立饋源在不同位置的設計,也有利用植入電抗性負載的設計,這些電抗性負載廣義而言包括短路同軸微帶,嵌入的微帶線,短路棒,變容二極管,槽孔等等.在解決微帶天線窄頻帶特性的問題上,各種設計不斷推陳出新,所利用的方法也不斷被開發並互相結合.例如有使用低介電常數的厚介質基底的設計,植入貼片電阻等損耗性元件的設計,植入集成式電抗性負載的設計,在饋入端設計匹配網絡,堆疊結構的設計,寄生元件的設計,植入槽孔以及利用槽孔耦合饋電的方式等等.

但是上述方法也存在不足,有時會影響天線其它性能指標.例如,使用短路探針加載,在縮減天線尺寸的同時,對帶來一些缺點,一方面使阻抗匹配依賴於短路探針的位置及其饋電點的距離,給製造公差提出了苛刻的要求,另一方面是帶寬縮減,如若使用電抗性元件加載同樣會造成帶寬縮減,如若使用電阻性器件,雖然有助於展開頻帶,但是電阻性元件對能量的消耗將降低天線的效率.因此 , 如果採用新的技術在實現小型化微帶天線多頻段,寬頻帶工作性能的同時,兼顧其它天線性能指標,如效率,增益,極化等,成為研究的熱點和難點.

4.研究的主要內容和方法

天線分析的基本問題是求解天線在周圍空間建立的電磁場,求得電磁場後,進而得出其方向圖,增益和輸入阻抗等特性指標.分析微帶天線的基本理論大致可以分為三類·最早出現的也是最簡單的是傳輸線模(tlm—transmission line model)理論,主要用於矩形貼片.更嚴格更有用的是空腔模型(cm-cavity model)理論,可用於各種規則貼片,但是基本上限於天線厚度遠遠小於波長的情況.最嚴格而計算最複雜的是全波(fw-full wave)理論,全波分析中常常需要使用到各種數值方法.從原理上來説,全波理論可用於各種結構,任意厚度的微帶天線,然而要受到計算模型的精度和機時的限制.從數學處理上看,第一種理論把微帶天線的分析簡化為一維的傳輸線問題;第二種理論則發展到二維邊值的問題的求解;第三種理論又進了一步,可以計入三維的變化,不過計算也費時的多.自然,這三種理論仍在不斷的在某些方面有所發展,同時也出現了一些別的分析方法.基於對全波理論中積分方程法的簡化,產生了格林函數法(gfa-green function approach);而由空腔模墊的擴展,出現了多端網絡法(mna-multiport network

approach),等.

本論文將分析總結多種實現微帶天線多頻段,寬頻帶工作的設計方法,尤其是對pifa天線結構做了詳細分析,研究了天線高度,短路金屬板寬度與諧振頻率之間的變化關係等.在使用3d電磁場仿真軟件hfss對天線結構進行仿真的基礎上,結合多種設計方法,提出了兩種新型結構的微帶天線,分別應用於wlan,移動通訊終端.論文中新型結構的微帶天線具有佔用體積小,頻帶寬,效率高等優點.為了驗證仿真結果,製作並測試相應的天線,對實驗結果與仿真結果要進行對比,驗證是否吻合.

本論文的創新之處在於結合多種技術,研製的兩種新型結構的微帶天線,在實現小型化多頻段,寬頻帶工作的同時,兼顧了天線的增益與效率等指標,對實現工業上可應用的微帶天線具有一定的指導意義.

論文內容安排如下:

第一章 緒論.介紹本論文的研究目的及意義,微帶天線多頻段,寬頻帶技術的 研究現狀,論文的研究內容及創新之處,論文大綱.

第二章 簡單介紹微帶天線的基本理論,包括:微帶天線的輻射機理,分析 模 型 以及理論分析方法,對天線的基本電參數做簡要介紹.

第三章 詳細討論微帶天線小型化,寬頻帶以及多頻帶的各種方法.

第四章 設計兩種新型多頻,小型化微帶天線,一種應用於wlan ,另 一 種應用於移動通訊終端.

第五章 對論文做總結,對論文的後續工作提出了建議

5,預期達到的目的和應用前景

微帶天線由於具有體積小,重量輕,剖面薄,易與飛行器共形,易於加工,易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優點,因而自其誕生以來就得到社會各界的廣泛研究與應用.但通常的微帶天線主要是一種諧振式天線,相對帶寬較窄.同時,隨着通訊技術的發展,寬帶的應用越來越受到重視,新的標準相繼提出,通訊產品越來越小型化,物理空間的限制成為系統設計必須考慮的重要因素,因此天線的小型化成為天線設計的又一研究熱點.如何設計出同時具有小型化,多頻帶以及寬頻帶的微帶天線是當前微帶天線設計的難點與重點.

本文針對當前對wlan天線,多頻移動通訊終端天線的需求,設計出了符合性能指標要求的雙頻wlan天線和內置五頻段內置天線.

1,對於wlan天線,採用兩個背對背的天線實現分集接收,用來降低多重路徑衰減 ;在頻寬方面不僅帶寬符合無線局域網工作帶寬的要求而且s2 1也低於-2 0db ; 天線具有高增益和不錯的增益穩定度,使得無線局域網絡卡在接收信號時減少信號誤判的情形發生.

2,新型的內置式多頻段天線是在pifa結構的基礎上,結合了多種技術實現的. 天線在各個頻帶內,都有相對寬的帶寬,滿足系統的要求,同時天線佔用的空間較小,實現了天線的小型化,取得了比較好的性能.

由於論文時間所限,以及天線的工作頻率,物理空間的限制,所設計出天線的某些性能還有待改進,今後的本論文主要工作方向為:

1,對於wlan天線,可以考慮在接地板上採用電磁帶隙結構,以進一 步減小兩個天線之間的互耦,改進天線的方向圖.

2,對於內置式移動終端天線,考慮一個新的頻段一一5.2ghz,從而可以實現移動終端與w la n的互連;優化饋電點位置,進一步拓寬天線各頻段的阻抗帶寬 .

微帶天線的發展正方興未艾,應用前景非常廣泛.由於應用的需要,微帶天線在許多方面還將得到進一步的發展,如天線介質材料的更新,天線的多極化技術,分形技術,光子帶隙技術以及計算機輔助設計技術和計算機輔助製造技術等.隨着技術的發展以及人們對微帶天線的深入研究和探討,微帶天線將會得到更為廣泛的應用.