感性加载的小型化天线和极宽带天线分析与设计

【摘要】随着科技的飞速发展，无论军用还是民用的通信设备均要求尽量减小体积，增加通信设备功能，而作为通信设备的最重要部件之一的天线，其小型化和宽带化设计已经成为目前天线设计的重要方面。但由于天线电性能指标非常依赖天线结构尺寸，一旦天线尺寸缩小，就会带来天线带宽、效率、方向性、品质因数等指标的恶化。因此如何在实现天线小型化设计的基础上，完成天线带宽扩展，并且不影响天线方向性和其它各性能指标，就是本文研究的主要内容。在天线小型化的设计思路中有很多技术可以实现，但是目前的技术多是以专门减小天线物理尺寸或者说降低天线谐振频率为设计目标的。这样，在实现了天线小型化的同时，却破坏了其它性能指标，因此无法满足现代通信系统所必须的综合指标要求。为了解决这个问题，本文通过对天线进行感性加载的方式实现小型化目的，同时利用改善馈电的方法拓展工作频带进行了一定的研究，并对采用不同形式带阻结构形成具有陷波特性的极宽带天线进行了探讨。具体工作如下：本文首先总结了各种形式天线在小型化过程之中主要使用的几种技术，综合了目前最常见的几类超宽带天线，从超宽带天线的各种指标到超宽带天线的各种类型介绍，包括全向天线、方向性天线、多频段天线、全频段天线、以及其它几种特殊使用环境中的各类超宽带天线。对目前国内外对天线小型化和宽带化设计过程之中研究现状进行回顾，建立本文对天线小型化和宽带化设计的总体概念。从天线小型化的基本概念和基本性能指标入手，结合在天线小型化设计过程之中的不同之处，找到了天线在小型化设计中需要注意的特殊的性能指标。总结归纳了天线小型化设计中目前几种主要的分析方法，将这几种分析方法进行对比，并在后续进行天线小型化设计中综合对比使用。1、研究并设计了不同形式的通过感性加载实现小型化设计的几种天线。首先对采用感性加载减小天线物理尺寸的理论进行了分析，并将这个理论具体应用在天线最为普遍的形式之一——对称振子天线中。将采用的感性负载具体形式确定为短路套筒后，对套筒的几个可调参数进行了逐一仿真验证和理论分析，确定了短路套筒的相关规格，研究了不同短路套筒对减小对称振子天线尺寸的效果和对其它指标的影响。通过实际测试发现，伴随着天线带宽的恶化程度不同，可以减小天线尺寸35%至64%，因此这种感性加载技术非常适用于窄带通信的天线之中。然后将感性负载的形式适当变化，并放置在印刷平面对称振子天线顶端。通过实际测试发现，这种技术在没有带来带宽和方向性变化前提下可以实现天线尺寸小型化程度为25.8%。可以看出，感性加载技术可以非常有效地减小天线物理尺寸，降低天线谐振频率。2、将套筒使用在对数周期天线阵中，研究感性加载对天线阵小型化的作用和影响。实际测试发现，覆盖54~216MHz广电频带的对数周期天线通过加入套筒型感性负载可以由原占用5.46m2减小至占用2.87m2，减小了47.5%，并且带宽没有变化。但是因为天线阵中振子尺寸明显减小，因此其方向性有一定影响。由此可知，感性加载技术非常适用于各类对尺寸要求严格的天线阵中进行小型化设计。3、对超宽带天线常用的单极子天线采用感性加载实现小型化设计，并改善馈电实现极宽带设计。针对单极子天线采用不同于之前的感性加载形式——环形负载，将目前公开文献中超宽带天线中最小的24×22mm2减小至20×16mm2，缩小了大约39.3%。另外，采用渐变型微带线进行馈电，将天线谐振带宽由3~12GHz左右拓展到了3.03GHz至超过40GHz频段。说明采用简单的渐变线馈电也能实现工作频带极大的扩展至超过FCC规定的超宽带通信频段。这个频段可以进一步提高作为近距高数据速率的超宽带通信的数据传输速率。4、在感性加载极宽带天线基础上，增加了在2.4~2.4835GHz的ISM频段谐振的辐射结构，实现感性加载双频段极宽带天线。其实际尺寸为34.1mm×24mm，比近年来发表的相类似双频段超宽带天线减小了至少18.8%。另外，在设计过程中还发现，几种谐振结构之间的互耦影响非常小，为此类天线的后续设计提供了非常好的理论依据。5、设计了具有双频段陷波特性的感性加载极宽带天线的实例。通过在馈线中嵌入两个相对独立的倒U形缝隙实现覆盖WiMAX和WLAN双频段的陷波特性。另外，两个倒U形缝隙之间的互耦是非常微弱的。因此在后续设计中，若需要抑制其他干扰，只需要适当的调节缝隙的长度和宽度即可实现。6、将经常运用在带阻滤波器中的嵌入开路支节（EmbeddedOpen-CircuitedStub—EOCS）和嵌入单端短路平行耦合器（EmbeddedOne-End-ShortedParallelCoupler—EOPC）拓展为终端开路支节对（Open-CircuitedStubPair—OCSP）并使用在感性加载极宽带天线上，从而实现0.26GHz和0.18GHz带宽的极窄带和极小频率间隔（0.56GHz）的双频段陷波特性。总之，本文贯穿使用感性加载技术实现天线小型化设计，然后在此基础上通过改善馈电实现天线宽带化设计。并设计出具有极小物理尺寸和极宽工作频带的感性加载极宽带天线，和具有广泛应用前景的具有极窄带极小频率间隔的双频段陷波特性感性加载极宽带天线。
【作者】巩冰；
【导师】尹应增；
【作者基本信息】西安电子科技大学，电磁场与微波技术，2013，博士
【关键词】天线；感性负载；小型化；极宽带；极窄带；极小频率间隔；陷波特性；

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