高增益微带天线的研究与设计.pdf

发布时间：2022-06-01 发布人：admin 分类：说明书资料大小：4.86M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 研究背景和实际意义

1.2 微带天线和高增益天线的发展

1.2.1 微带天线发展状况

1.2.2 高增益微带天线的发展概况

1.3 研究方法

1.3.1 电磁场数值计算与微波电路CAD软件的发展简介

1.3.2 HP8720矢量网络分析仪

1.4 本文的主要研究内容和方向

第二章微带天线原理

2.1 微带天线的辐工作原理

2.1.1 微带天线的辐射机理

2.1.2 表面波

2.2 微带天线的馈电

2.2.1 微带线馈电

2.2.2 同轴线馈电

2.2.3 电磁耦合型馈电

2.2.4 共面波导馈电

2.3 本章小结

第三章高增益微带天线的设计

3.1 微带天线单元设计的基本步骤

3.2 Ku波段微带-探针耦合馈电的高增益微带天线的设计

3.2.1 天线的结构

3.2.2 天线的仿真计算

3.2.3 天线的性能分析

3.2.4 研究总结

3.3 基于H槽耦合馈电的高增益微带天线的设计

3.3.1 天线的结构和仿真设计

3.3.2 性能分析

3.3.3 长方环形高增益天线的结构和仿真设计

3.4 基于CPW耦合馈电的高增益微带天线的设计与实现

3.4.1 天线的结构

3.4.2 天线的仿真和实测结果比较

3.4.3 天线的性能研究

3.4.4 研究总结

3.5 本章小结

第四章高增益微带天线的双频和圆极化的实现

4.1 高增益微带天线的双频的实现

4.1.1 双频微带天线的实现方法

4.1.2 基于仿真计算的高增益双频微带天线的实验研究

4.1.3 研究总结

4.2 高增益微带天线的圆极化的实现

4.2.1 微带天线的圆极化实现方法

4.2.2 基于仿真计算的高增益圆极化微带天线的实验研究

4.2.3 研究总结

4.3 本章小结

第五章全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 存在的问题与未来工作展望

致谢

参考文献

作者在硕期间取得的学术成果

南京邮电大学硕士学位论文高增益微带天线的研究与设计姓名：李琴芳申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：吴迪20090401

摘要微带天线以其体积小，剖面低，易集成，造价低等特性以及良好的性能受到广泛的关注。随着移动通信系统业务的不断增加，通信设备不断向小型化发展，对天线体积，集成度，增益等的要求也越来越高。由于单个微带天线的增益偏低，所以进行组阵时，所需单元数就会比较多，馈电网络的复杂度和损耗都会造成天线效率的显著下降。因此，研制高增益的微带单元天线具有很大的实际价值，这样既可以减少天线阵的单元数、实现天线阵列的小型化，又可简化馈电网络。本论文将集中研究不同特性的高增益微带天线单元，具体工作与贡献如下：(1)以高增益微带贴片天线为研究对象，利用电磁仿真软件CST、HFSS进行大量的辅助计算，分别设计了基于微带探针馈电、H槽耦合馈电和共面波导耦合馈电的短路壁短路的高增益微带天线，并对所设计的这几种天线分别进行了实验研究与性能分析，计算结果表明所设计的天线输入端口的反射损耗均可以达到--30dB以下，在谐振频率处的最大增益均可以达到10dBi以上。(2)在此研究的基础上，设计了工作于C波段的基于共面波导耦合馈电的短路柱短路的高增益微带天线，利用电磁仿真软件CST、HFSS进行计算，根据仿真结果加工了天线实物，测量了天线的输入阻抗特性和远场辐射特性，并将实测结果和仿真结果进行比较，两者的良好吻合，进一步验证了设计方法的有效性和正确性。(3)最后研究了该结构的高增益微带天线的双频实现方法和圆极化实现方法，仿真结果表明该结构的高增益微带天线可以实现良好的双频特性和圆极化特性。其中所设计的高增益双频天线在两个频点的反射损耗都在--20dB以下，且在两个频点的方向图相似，增益都在9dBi以上。而所设计的圆极化高增益微带天线的轴比小于1．1，增益可以达到10dBi。本文设计的天线由于具有高增益特性，因此有望应用于卫星通信或移动通信系统，具有较大的工程实用价值。关键词：微带天线高增益表面波辐射双频圆极化

4bstractInrecentyears，greatinterestwasfocusedonmicrostripantennasfortheirsmallvolumes，lowprofiles，goodintegrationandlowcosts．Betteractionsofantennasaredemandedbecauseoftherequirementsofmobilecommunicationandminiaturecommunicationequipments．Themaintaskofthisthesisistodesignandstudytheminiaturehigh—gainmicrostripantennas．But，asiswell-known，microstripantennasareintrinsicallylowgain．Somanymicrostripantennacellsaredemandedtoformthearraytoattainhighgaininapplyingtocommunicationequipments，andthenthecomplexitiesandlossesofthefeedingnetworkreducetheefficiencyoftheantenna．Thusthehighgainmicrostripantennacellcailminimizethearrayinlargedegree．BasedOnplentyofnumericalandexperimentalresults，hi．ghgainmicrostripantennaswithdifferentperformancesareproposedandinvestigatedindetail．Themaincontentofthisdissertationincludes：First，basedonthetheoryOilhighgainmicrostipantenna，acenter-shortedantennabyametalwallisdevelopedwiththeaidoffull—waveEMsimulatorindetail．Thenthreekindsofhi曲gainantennasaredesignedwithdifferentfeedingstructures，includingmicrostip—plotfed，HslotcouplingfedandCPWcouplingfed．TheresultsshowthatalltheproposedantennasCanobtainlosseslower一30dBandgainvaluehigher10dBi．Then，basedontheseresults，ashortedantennawithmetalpostswhichisfedbyCPWisalsodesignedandstudiedbothnumericallyandexperimentallyindetail．Basedonthissimulatedresult，theproposedantennawasfabricatedandmeasured．Theresultsshowsthesimulatedresultandmeasuredresulthaveagoodconformability,whichprovethevalidityofthedesignedmethod．Finally,researchandstudytherealizationofdualfrequency11ighgainmicrostripantennasandcircularpolarizationhighgainmicrostripantennas．TheresultsshowthattheproposeddualfrequenciesantennaCallobtainlosseslower一20dBinthedualfrequenciesandtheybothbehavesimilarpattemwiththegainvaluehigher9dBi．AndtheproposedcircularpolarizationhighgainmicrostripantennaCanachievetheARlower1．1dBandgainvaluehigher10dBi．Thedesignedantennasinthisthesishavehighgainperformance，SOtheyareexpectedtobeappliedinsatellitecommunicationsandmobilecommunicationsystemsandtheyhavepracticalengineeringvalues．Keywords：Microstripantenna，high—gain，surfacewaveradiation，dualfrequency,circularpolarizationII

南京邮电学院学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：日期：南京邮电学院学位论文使用授权声明南京邮电学院、中国科学技术研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸制论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权南京邮电学院研究生部办理。研究生签名：导师签名：累迪日期：

南京邮电大学硕士研究生学位论文第1章绪论第一章绪论1．1研究背景和实际意义移动卫星通信需要地面接收天线增益很高，设计制造高增益的平面相控阵天线复杂及难度都很大，而且成本也高。目前绝大多数是使用反射面天线，但是反射面天线具有一定的高度，结构比较笨重，并且为了使天线主波束在移动体移动过程中一直指向卫星，必须外加驱使天线旋转的机械结构，这样不仅增大了天线的整体体积，机械旋转结构跟踪卫星的动作也需要一定的反应时间，控制效果不是很理想。而具有低姿态(剖面)，低成本等优点的微带天线在该领域没有得到应用和普及。其根本原因在于，微带天线增益较低，为正常接收到卫星信号，则必须将天线设计成许多单元所构成的大型平面阵列天线，这样会使得各单元所需的馈电线路变长，馈电损耗变大，最终天线的效率将会降低。所以开展高增益的微带天线单元的研究对于实现阵列天线的小型化以及减少馈线的损耗都是非常有意义的。1．2微带天线和高增益天线的发展1．2．1微带天线发展状况早在二十世纪五十年代德尚(G．A．Dcschamps)就提出了利用微带线的辐射制成微带微波天线的概念，但是在随后的20年里，对此只有一些零星的研究。直到了1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切要求，芒森(R．E．Munson)和豪威尔(J．Q．Howell)等研究者研制成功了一批实用的微带天线。之后，随着科学技术的迅猛发展，微带天线无论在理论还是在应用的深度与广度上都取得了进一步的发展，并且已显示出它在应用上的巨大潜力。微带天线最初是作为火箭和导弹上的全向共形天线而得到应用与发展。现在，在军事领域中，微带天线已大量应用于100MHz～100GHz的宽广频域上的无线电设备中，例如卫星通信、导弹遥测遥控、电子对抗、武器引信等无线电系统。目前，微带天线还广泛应用于现代移动通信、个人通信、医疗器件和环境保护等许多民用科研领域，并且得到了空前发展。可见，微带天线的发展正方兴未艾，应用前景非常广阔。微带天线与普通微波天线相比有如下优点[1卜[3】：(1)剖面低，体积小，重量轻，成本低；(2)具有平面结构，并可制成与导弹、卫星等载体表面共形的结构；(3)馈电网络可与天线结构一起制成，适合于用印刷电路技术大批量生产；

堕室堂皇奎兰婴主婴塞竺堂焦垒奎茎!童堑笙(4)能与有源器件和电路集成为单一的模件；(5)便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作。与此同时，微带天线也存在以下一些缺点：(1)频带窄，因为其是一个驻波形式天线，导致品质因数高、频带窄；(2)有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低；(3)功率容量较小，一般用于中，小功率场合；(4)性能收基片材料影响大。这些缺点使微带天线在使用中受到了一定程度上的限制，对此，天线研究工作者做了很多研究工作，天线的形式也出现了较多变化。目前微带天线的主要发展方向有：(1)小型化是微带天线的今后的发展方向之一。(2)宽频带工作是微带天线的发展方向之一，也是现阶段研究的热点[4]一[6】。当天线的工作频带较宽时，其能应用的场合较广，避免了在不同的频段采用不同的天线带来的体积增大问题。(3)高增益、低旁瓣特性。高增益特性能够保证天线较高的定向辐射能力【7】，提高了天线的抗干扰能力；低旁瓣特性保证了天线阵列中旁瓣对主瓣的较低影响，可通过一系列的加权形式实现。(4)极化技术。为了实现圆极化、线极化甚至双极化，现阶段采用了各种加载技术，实现天线在固定的波束范围内保持高纯度极化，以适应固态有源集成电路辐射单元的需要。由于双极化能够在同一频带内，实现多路信号的复用，故在频带不增加的情况下，大大提高通信的容量，近年来受到了广泛地关注[8]-[9】。(5)微带天线的馈电网络也是一个研究方向。采用探针或槽孔耦合的背馈方式将辐射贴片部分与馈电网络部分通过接地板隔离，是优先考虑的结构方案。微带线馈电网络会引入明显的导体损耗，具有色散性；非色散的带状线不便与电路集成一体；介质波导馈电的方案将各辐射单元直接与T／R组件连接，减少了馈线长度，而且接收通道的放大器还可补偿其传输损耗，所以介质波导馈电将成为大规模阵列系统的发展主流。(6)有源集成微带天线也是一个研究方向。近几年，随着微波集成电路(MIC)和空间功率合成技术的日益成熟，有源集成天线受到了广泛的关注。MIC技术的成熟使得有源集成天线在微波波段工作成为可能，而应用空间功率合成技术的有源集成天线阵提高了AIA阵的空间辐射功率。(7)多频段和分形微带天线也是一个研究方向。GSM等通讯系统要求终端能够工作于多个频段上。这就要求设计出多频段工作的微带天线。分形技术应用于天线设计，可以实2

m京邮屯^学砸±研究生学位论立茚l章绪论现天线的超宽带性能。己经有分形微带天线使用在手机上的报道。122高增益微带天线的发展概况众所周知，微带天线在本质上增益比较低。针对此问题研究人员做出了大量的研究，近些年已经提出了一些设计方案：文献[10]一[11]山传输线理论模型肘加载了介质基片层的微带天线的辐射特性进行了详细的分析。在此基础E文献【12】-[13J设计了加载上层基片构高增益微带天线．但这种方法需要厚厚的绝缘层，会使天线重量和体积都变大。(a)Detailradiatingel锄entfb)Singlealltermawithasuperstrate图11加载上层基片实现高增益(选自参考文献【12】)利用堆栈贴片构造可以增加天线的增益，两贴片距离约0．5倍波跃时可获得约9dBi的增益[141。三层构造可获得10dBi[15]，使片I2×2阵列的寄生贴片可获得105dBi。螺旋天线作为种替代方案可被看作是种单个单元的高增益发射器。但是，即使可以轻占6获得高于10dBi的增益，这pI结构通常比贴片结构要大。斟I-2堆栈贴片结构实现高增益(选自参考文献IL5])在文献[16]_[18]巾分别采用了电磁带隙PBG结构是80年代来兴起的一门新型技术存光子晶体中的特点和电子在导体LL】的特点EBG)和光子品体结构(PBG)。EBG，其研究起源于光学领域，随后发现电磁渡致。利用电磁带隙结构的特点，使得表面波的截至频率处于电磁带隙结构的理想禁带中，这样导致『U磁波只沿着贴片的表面向守涮辐射，而不向介质中辐射然后通过接地板的反射方式或者足边缘的衍射进入空气中，

自京邮电大学硕±研究生学位论文g1$绪*故使得空气中的表面波得到抑制，改善了天线的辐射特性，减小了边缘处的表面波产生的后向辐射，提高了天线的增益和辐射效率。在这种结构中，由于需要在辐射贴片的介质中或者是在接地板P蚀刻定数量的刷期性分步的结构(一般情况卜为二周期以上)，对无线的安装阻及稳定性能方面的要求都尚存在些问题。PatchRadiation图1．3Eb磁带隙结构天线的辐射(选自参考文献[1卅)文献[19]采用有源天线技术来增加天线的增益。文献[20]对圆形天线进行了详细的理论推导，得出结论：当圆形贴片上磁流环半径为一个特定的临界值时，可以抑制天线表面波TMo模的辐射，并在此基础上提出了两种仅有较少表面波激发的圆形天线。基于这种设计思想，文献f2l】-[22]通过表面波的抑制柬提高天线的增益，设计出了GPS高增益中心短路的环形贴片天线(SAP)，实验结果证明单元天线的增益可以达到l0dBi。文献【23]．[24]对这种天线的辐射特性进行了研究探讨，发现这种天线具有许多有趣的特性：贴片结构外界面上等效的磁流分柿同传统的环行贴片结构中的相同，短路的内边界对辐射场没有贡献，但可被用米调整天线的谐振频率。因此，可以不受与谐振波睦斗日关的限制来选择天线的外半径，并通过选择SAP的外边界米获得更窄的辐射方向图和更高的方向性。文献[25]对这种天线之间的互耦特性作出了洋细的分析探讨。最近文献[26]又提出了堆栈短路圆环微带天线，进一步增加了天线的增益。前面提到的都是短路圆环天线，我们都知道天线贴片可以是不同的形状，那么其它形状的短路结构的天线是否也能实现高增益呢。文献[271-[281详细分析了短路椭圆环形贴片的辐射特性，文献[29]在此理论分析的基础r设计卅了高增益的短路椭圆环形贴片天线。㈣时文献[30]_[31]刘矩路矩彤环贴片进行了分析，发现它电可以实现高增益。—露塑■]』。}工===jE二n●“f‘4女口w●“h|r¨I4}n‘7HI一4短路圆环天线结构(选n参考文献[22匡五]【l二=二二l=皇一l=亏二兰本嘲1—5短路椭圆环天线结构(选自参考文献[291)

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