（无线电物理专业论文）新型平面宽带多频天线的研究与设计.pdf

摘要 摘要 近几年，移动通信在世界范围内得到迅猛发展，新的无线通讯标准不断推出。 这些新标准往往要求系统工作在频带较宽的双频段或者多频段内。例如，无线局 域网设备的工作频段为2 4 5g h z ( 2 4 0 0 2 4 8 4m h z ) 、5 2g h z ( 5 1 5 0 5 3 5 0m h z ) 和5 8g h z ( 5 7 2 5 5 8 2 5 姗z ) ，微波存取全球互通技术的系统工作频段为 2 5 3 5 5 5g h z ( 2 5 0 0 2 6 9 0 3 4 0 0 3 6 9 0 5 2 5 0 5 8 5 0 姗z ) 。因此，为了满足 这些要求，宽带多频天线得到了广泛的研究。 本文首先介绍了宽带双频天线和宽带三频天线的一些新技术和新发展。然后， 在详细的研究分析这些技术后，提出一个新型的三角形多频微带天线；此天线具 有三个工作频段，并且各个频率之间的比值可以调节。以此天线为基础，随后设 计了三种宽带双频天线，分别是具有f 型寄生条带的平面宽带双频天线、具有h 型地板的宽带双频单极子天线、具有十字型寄生条带的宽带双频槽天线。每个天 线的两个频段的中心频率比均可以调节，这使得三个天线可以满足不同要求的双 频应用。通过优化各天线的结构参数，这三种天线均可以在2 4 5 5 2 5 8g h z 频 段上达到i e e e8 0 2 1 1 无线局域网的标准。 此次研究使用h f s s 和c s t 作为仿真软件。对于具有f 型寄生条带的平面双频 天线，两个仿真软件结果基本一致；对于剩下的两种天线，我们加工了实验模型， 测量所得的部分结果与仿真结果吻合。 关键词：无线局域网，微波存取全球互通，宽带多频天线，宽带双频天线 a b s t r a c t a b s t r a c t i l lr e 嗍l ty e a r s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a sb e e n d e v e l o p e d f a s ta n dn e ww i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sa p p e a rc o n t i n u o u s l y t h e s es t a n d a r d sd e m a n dt h a ts y s t e m sc a no p e r a t ei n w i d e b a n dm u l t i - b a n d f o re x a m p l e ，t h ew l a ns y s t e m so p e r a t ei nt h eb a n da t2 4 5g h z ( 2 4 0 0 - 2 4 8 4m h z ) ，5 2g h z ( 515 0 - 5 3 5 0m h z ) a n d5 8g h z ( 5 7 2 5 - - 5 8 2 5m h z ) ，t h ew m 俄xs y s t e m s o p e r a t ei nt h eb a n da t2 5 3 5 5 5g h z ( 2 5 0 0 - - 2 6 9 0 3 4 0 0 - 3 6 9 0 5 2 5 0 - 5 8 5 0m h z ) t h e r e f o r e ，i n o r d e rt os a t i s f yt h e s es t a n d a r d s ，a n t e n n a s 、j l ，i t hw i d e b a n dd u a l - 0 1 m u l t i - f r e q u e n c yc a p a b i l i t i e s b e c o m eah o tt o p i ci nt h ef i e l do fa n t e n n a s i nt h i st h e s i s ，m a n yn e wt e c h n i q u e so fw i d e b a n dd u a l f r e q u e n c ya n t e n n a sa n dw i d e b a n d t r i p l e f r e q u e n c ya n t e n n a sa l ep r e s e n t e da n ds t u d i e di nd e t a i l ，f i r s t l y s e c o n d l y , an o v e li s o s c e l e s t r i a n g u l a rm u l t i - f r e q u e n c ym i e r o s t r i pa n t e n n ai sp r e s e n t e d 1 1 1 i sa n t e n n ac a l lo p e r a t ea t t h r e e f r e q u e n c i e s f u r t h e r m o r e ，t h ea n t e n n a so p e r a t i n gf r e q u e n c yr a t i o sc a nb et u n e d t h i r d l y , o nt h eb a s e o ft h i st r i a n g u l a ra n t e n n a , t h r e en o v e lw i d e b a n dd u a l f r e q u e n c ya n t e n n a sa r ed e s i g n e d t h c ya r ea d u a l - b a n dp a t c ha n t e n n a 谢n la l lf - s h a p e dp a r a s i t i cs t r i p , ap r i n t e dc i r e u l a ld i s cm o n o p o l ea n t e n n a 、衍m 觚h s h a p e dg r o u n dp l a n ea n dad u a l - b a n dc i r c l es l o ta n t e n n aw i t hac r o s s s h a p e dp a r a s i t i c s t r i p r e s p e c t i v e l y n ec e n t e rf r e q u e n c yr a t i o so ft h e s ea n t e n n a sc a nb et u n e d t h i sm e a n s t h a tt h e a n t e n n a - 叠c a ns a t i s f yd i f f e r e n td e m a n d o p t i m i z i n gt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h ea n t e n n a s ，a l lo f t h e mc a nm e e tt h ei e e e8 0 2 1 1 ，a ns t a n d a r d si nt h e2 4 5 5 狮8g h zo p e r a t i n gb a n d s i nt h i si n v e s t i g a t i o n ，t h es i m u l a t i o nt o o l sa l eh f s sa n dc s tf o rd u a l - b a n dm o n o p o l ea n t e n n a w i t ha l lf - s h a p e dp a r a s i t i cs t r i p ，v e r yg o o da g r e e m e n tb e t w e e nt w os i m u l a t e dr e s u l t si so b t a i n e d f o r o t h e rd u a l - b a n da n t e n n a s ，w ef a b r i c a t et h ee x p e r i m e n t a lm o d e l s s o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w g o o da g r e e m e n t 丽ms i m u l a t e dr e s u l t s k e y w o r d s ：w l a n ，w i m a x ，w i d e b a n dm u l t i f r e q u e n c ya n t e n n a ，w i d e b a n dd u a l - f r e q u e n c y a n t e n n a l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 法劲松 日期：2 oa g 年争月哆e l 第一章引言 1 1 课题研究的目的和意义 第一章引言 早在第二次世界大战之时，无线网络便成为一项重要的通讯工具。当时美军 使用一种经过编码的无线电信号作资料的传输手段，为了传输这些重要的资料， 他们研发出了一套无线电传输技术，这就是最早的无线网络的初级应用。 无线通讯产业的蓬勃发展带动了人类新的文明也提升了人类的生活水平，对 人们的日常生活起了深远的影响。为了适应这种快速的发展，人们也在不断的提 出新的无线通讯标准和开发新的技术，例如无线局域网络技术( w l a n ) 和微波存 取全球互通技术( w i m a x ) 。无线局域网是利用无线技术实现快速接入以太网的技 术，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，是对有线连网方式的一种补充 和扩展。它使连接到网上的计算机具有可移动性，能快速方便地解决使用有线方 式不易实现的网络连通问题。和有线网络相比，可移动性是无线局域网的主要优 势。其它的优势还包括安装更迅速、费用更低、网络可靠性更高以及能够快速支 持灾后重建等。而微波存取全球互通技术是一项基于i e e e8 0 2 1 6 标准的新的宽 带无线接入城域网技术；微波存取全球互通技术优势在于数据吞吐率高、传输距 离远且接入速度快，系统容量大，提供广泛的多媒体通信服务，快速灵活的无线 传输手段，在基站互联方面具有投资少、见效快、组网灵活的特点。 无论是无线局域网技术，还是微波存取互通技术，均要求其设备能工作在多 个频段内。如无线局域网，其要求设备工作的频段为2 4 5g h z ( 2 4 0 0 2 4 8 4m h z ) 、 5 2g h z ( 5 1 5 0 5 3 5 0m h z ) 和5 8g h z ( 5 7 2 5 5 8 2 5m h z ) ，而w i m a x 系统工作 的频段则为2 5 3 5 5 56 h z ( 2 5 0 0 2 6 9 0 3 4 0 0 3 6 9 0 5 2 5 0 5 8 5 0m l l z ) 。这些 要求使得宽带多频段天线成为天线的一个研究热点。 平面印刷天线因为其易于实现宽频带、多频工作的特点，使其在移动通信领域 的应用具有很大的吸引力。目前上已经出现多种平面宽带多频天线，如p i f a 1 - 5 】、 开槽天线【鼬】以及各种形式的单极子天线【9 - 1 3 】等正在得到研究和开发。综合来看， 平面宽带多频天线的研究有其积极的意义和良好的应用前景。 在上述的前提下，本文将研究平面天线多频化的实现方式，并设计新型小型化 平面宽带双频天线和平面宽带三频天线。 电子科技火学硕士学位论文 1 2 宽带双频天线技术 已经出现的宽带双频天线按结构样式可分为：单极子天线、偶极子天线、槽 天线、倒f 天线等【1 4 之6 1 。本章选择性的介绍几种宽带双频天线。 1 2 1l 型单极子宽带双频天线 图1 - 1 所示的是改进型的倒l 单极子天线的结构【1 4 1 。弯曲的带线增加了天线 的第一谐振模式的电流路径，这减小了天线的尺寸；同时此弯曲的带线还在原来 的第二个谐振频率附近新增加了一个谐振频率，从而增加高频段的带宽。图1 - 2 为l 型单极子天线的原型和改进型的回波损耗的对比。 ，一、 均 、_ ， 警 一 二 旮 哪 嵋 m e a n d e r e d ，i ，1 r e 图卜1 改进型的倒l 型单极子天线的结构 图1 - 2l 型单极子天线的原型和改进型的回波损耗的对比 2 第一章引言 1 2 2 具有梯形寄生条带的宽带双频单极子天线 如图卜3 所示，具有梯形寄生条带的宽带双频单极子天线【1 5 1 印制在相对介电 常数为4 4 ，厚度为0 8 唧的介质基片上，它的平面尺寸达到了长6 0 m m ，宽4 8 r a m 。 通过使用梯形条带进行加载，天线达到了双频工作，工作频段分别为2 2 6g h z ( 2 0 1 4 2 7g h z ) 和1 7 3g h z ( 5 0 6 6 7 9g h z ) 。文章通过图卜4 中寄生条带 加载前后天线的回波损耗的对比说明了梯形条带所起到的调节阻抗匹配的效果。 越 z t 叫 。o 。 加 雾溺。 h 2 2 ， 鎏 1 4 ，8 o 誊曩。：，：曩一t it 二。曩蚌 声 | ： 3 0 ，忌 ， 尹 l s j d 拳v i e w 却蜥b 鳓积哦v i e w 图卜3 具有梯形寄生条带的双频单极子天线结构 f r e q u e n c y 硒h 萄 图1 - 4 具有梯形寄生条带的双频单极子天线的回波损耗图 摩警一嘏讲各o h 羲：* n 霞 电子科技火学硕士学位论文 1 2 3 宽带双频偶极子天线 如图i - 5 所示，宽带双频偶极子天线拥有一长一短了个谐振臂，短的臂用以 激励高频谐振模式的工作频率，长的臂用以控制低频谐振模式的工作频率【1 6 1 。图 i - 6 为此偶极子天线的回波损耗。 ，_ 、 鼍 、一， 埔 m 3 d 目 _ 盏 u n 幢s ：m m 图i - 5 宽带双频偶极子天线 b o t t o ms i d e 到) 疆4 d5 1 ) 0 移 f r e q u e n c y ，髓互 图卜6 宽带双频偶极子天线的回波损耗 1 2 4 共面波导馈电的宽带双频单极子天线 图卜7 所示的是共面波导馈电的宽带双频单极子天线【17 1 。此天线通过螺旋微 带线来激发2 4 g h z 工作频率；螺旋微带的第2 个工作频率和倒l 型微带激发的频 4 第一章引言 率共同形成了5 0 h z 频段。图卜8 为共面波导馈电的宽带双频单极子天线的回波损 耗。 1 s 5 0 40 。4 正面 o 一1 0 ；瑚 回 - s o 侧面 z l 也_ zx t 态- 斗 yx 图卜7 共面波导馈电的宽带双频单极子天线 23磊56 f r e q u e n c y jg h z 7 ( i )m e a s u r e dr e t u r nl o s sf o rp r o p o s e da n t e n n a ( i i ) s i m u l a te dr e t u r nl o s sf o rp r o p o s e da n te m a ( i i i ) s i m u l a te dr e t u r nl o s sf o ra n te d d aw i t hs tr i plo n l y ( i v ) s f m u l a te dr e t u r nl o s sf o ra n t8 f l e aw i t hs tr i p2o n l y 图卜8 共面波导馈电的宽带双频单极子天线的回波损耗 孙 一gpho-i 电子科技大学硕士学位论文 1 2 5 宽带双频倒f 天线 宽带双频倒f 天线的结构如图i - 9 所示【1 引。 1 i p a t c h 1 a t e 图1 - 9 宽带双频倒f 天线的结构 路径a 和路径b 分别为2 4 g h z 谐振模式和5 g h z 谐振模式的电流路径。这样 一来，调节短路钉的位置和辐射单元的长度就可以调节两个谐振模式的谐振频率 了，如图1 - 1 0 所示。图1 - 1 1 为倒f 天线的回波损耗。 6 5 4 薹3 2 1 l l 言载 m i出啦 l l lm ： ： i ： i i i： d f l 鼎 罄煮 一 麓彳 鼙v ii 23456 f r e q u e n c y sg h z av a r i a ti o no fl e n g t h bv a r i a ti o no fl e n g t h 穆 图卜1 0 对应不同的短路销钉位置 和不同的辐射单元长度的宽带倒f 天线的回波损耗 6 第一章引言 ! 一- m e a s u r e dv a 上u e ! 一s i m u l a t e d v a l h e ：一一_。_-。-_-。_-_-_-_-_一 蛀至避 2 3 45 6 丘e c p e n c 弘o h z 图卜1 1 宽带倒f 天线的回波损耗 1 2 6 宽带双频矩形槽天线 图卜1 2 所示的是2 4 5 g h z 双频矩形槽天线【1 9 1 。天线印制在相对介电常数为 4 7 、厚度为0 8 m m 的介质基片上，使用微带进行耦合馈电。天线长宽均为7 5 m m ， 矩形槽的宽为1 7 7 m m 、长为3 0 m m 。在槽的中间加入一u 型条带以使天线拥有两个 较宽的工作频段，如图卜1 3 。此天线可以通过调节两个水平臂之间的长度来调节 两个工作频率的比值，如图卜1 4 所示。 霹 - s 蔽 ll 一r - _ q 麟 矧- n 幽幽黼幽： | 、 |z | t k _ 一k 。翻凶 图1 - 1 2 双频矩形槽天线的结构图 6 5 4 3 2 1 叱且们净 电子科技火学硕士学位论文 已 器 量 e 3 藿 1 5 2 8 4 1 5 4 0 06 7 0 08 0 0 0 f r e q u e n c y , m h z 图1 - 1 3 双频矩形槽天线的回波损耗 图1 - 1 4 双频矩形槽天线的频率比和u 型槽的两水平臂之间的距离的关系 1 2 7 具有树型馈电微带的宽带双频双环槽天线 如图1 - 1 5 所示，具有树型馈电微带的宽带双频双环槽天线【2 0 1 印$ , j 在厚度为 1 6 m m ，相对介电常数为4 4 的介质基片上，天线的长宽均为5 0 m m 。其谐振频率的 调节主要通过调节两个环的半径来实现；树型馈电微带用来调节天线阻抗匹配。 图1 - 1 6 为该天线的回波损耗。 第一章引言 图卜1 5 具有树型馈电微带的宽带双频双环槽天线的结构图 薏 2 , 0 跹弘2 虑 秘 弼 翱嘲静岬弹 垂 ”e * ，o _ 毒 意 睾瑚 葫 搿 渤 栅 t 藉 蠹o 矗毒毒j t 氛蠡 乐喜羲存教2 新蜘嘲螂箍蝴 图卜1 6 具有树型馈电微带的宽带双频双环槽天线的回波损耗 1 3 宽带三频天线技术 在上面我们介绍了几种宽带双频天线，接着我们再来看看宽带三频天线又有 哪些实现形式，因为宽带三频天线的文献较少，这里只是介绍一两个例子 2 7 瑚】。 9 参 嘞 锵 尊搴 辫 镛 窑慧；辨 电子科技大学硕士学位论文 1 3 1 宽带三频段折合平面倒f 天线 宽带三频段折合平面倒f 天线的结构图如图卜1 7 所示【2 7 1 。天线的贴片分为上 下两层，四个孔用于产生折合路径以使天线得到多频工作的能力。缝隙的长度、 宽度以及位置用以控制谐振模式的路径。图卜1 8 为此天线的回波损耗，可以看出 天线具备了多频段工作的能力。 l 图卜1 7 宽带三频段折合平面倒f 天线的结构图 图1 - 1 8 宽带三频段折合平面倒f 天线的回波损耗 麴 寨鎏 闰一酣 下i；w，上 第一章引言 1 3 2 非对称c p w 馈电的宽带三频单极子天线 如图卜1 9 所示，非对称c p w 馈电的宽带三频单极子天线【2 8 】印制在厚度为 1 6 m m 、介电常数为4 4 的基片上，整个天线宽为9 m m 、长为2 0 m m 。一个矩形缝隙、 一个l 型缝隙、一个经过折合处理的缝隙一同被刻在贴片的表面，用以提供不同 的表面电流路径，从而使天线能够具有三频工作的能力。此天线的回波损耗见图 1 - 2 0 所示。 p o o _ _ l - - _ l _ _ j _ _ l l _ _ o - l _ l _ 兰i ! 兰! 苎! 堕羔堑! 妻二萋立童：釜鳘l 图卜1 9 非对称c p w 馈电的宽带三频单极子天线的结构图 o 一1 0 乏o 爨 旦 藿e 粕 4 0 5 0 24567 f r e c l u e r _ z y , g h z 图卜2 0 非对称c p w 馈电的宽带三频单极子天线的回波损耗 电子科技人学硕十学位论文 1 4 本文的主要工作和内容安排 本文首先介绍了一些新的宽带双频天线和宽带三频天线技术，然后设计了一 个新型的三频微带天线，通过对这个天线形成多频化的原因加以分析，认为可以 在贴片辐射边缘上加载条带来实现平面天线多频化。接着按照w l a n 系统所需要的 频段，利用h f s s 和c s t 等专业电磁仿真软件，并运用上述方法设计了数个适合当 前无线通信应用的具有多频特性的新型平面天线，并对其进行了比较详细的讨论。 为了验证仿真结果，制作并测试部分天线结构，实验结果与仿真结果基本吻合。 论文内容安排如下： 第一章简单介绍了本论文的研究意义，并且详细讨论宽带双频天线和宽带三 频天线的实现形式。 第二章介绍了一个新型的具有多频段工作能力的三角形天线，通过对这个天 线的分析，认为可以在贴片辐射边缘上加载条带来实现平面天线的多频化。 第三章本章根据上章所得到的想法设计了数种能满足w l a n2 4 5 g h z 双频段 要求的不同形式的宽带双频天线，并对其进行了详细的讨论。并且在本章节的最 后，我们尝试性的设计了一个宽带三频段天线。 第四章作为本文的结束，总结本文的主要工作，展望研究课题的将来。 第二章平面天线多频化方法的研究 2 1 概述 第二章平面天线多频化方法的研究 利用条带加载来设计双频微带天线在很早以前就已被提过【2 9 l 。但是，与槽加载 和销钉加载等双频化方式相比，条带加载增加了天线的尺寸，这使得条带加载这 种实现天线多频化的方式并不具有优势。可是，随着平面天线研究的不断深入， 共面波导、槽、印刷单偶极子等天线结构的出现，使得条带加载多频化方式又有 了新的应用空间。本章在总结现有文献的基础上，利用条带加载的方式设计了一 种新型的微带多频天线，并且说明了天线多频化的原因，在本章的最后还分析说 明了如何利用条带加载来实现平面天线多频化。 2 2 新型三角形多频天线的设计与仿真 在此次说明中，我们采用同轴馈电的钝角三角形天线来进行叙述说明。如图 2 1 所示，天线基片的厚度为1 6 m m ，地板大小为5 0 m m * 6 0 m m ，材料为f r 4 。贴片 是底边接入了5 条条带的1 2 0 度顶角等腰三角形，图中各参数的值为：d = 3 0 m m , 1 1 2 1 4 r a m ，1 2 = ll m m , 1 3 2 1 3 m m ，d l _ 6 1 m m ，a l = 1 9 m m ，a e = 1 2 m m ，w l = 1 4 m m 。 图2 1 矩形条带加载的1 2 0 度钝角三角形多频天线结构图 电子科技入学硕+ 学位论文 2 2 1 新型三角形多频天线回波损耗与电流分析 图2 2 中的是三角形多频天线在使用上面参数时所对得到的回波损耗图。可 以清楚地看到天线可以在三个频段下进行工作。 f r e qi g h z 图2 2 条带加载的1 2 0 度顶角等腰三角形贴片天线的回波损耗 我们通过分析此天线在不同频率下的电流分布来分析它的一些特性。图2 - - 3 是天线使用上面的参数值时，它的三个谐振模式的电流分布图。可以看到，不同 模式的电流在不同的条带中强弱是不一样的。第一个谐振模式在s t u b l 和3 中的 电流强于其他两个模式；第二个谐振模式的电流只在s t u b 2 中较强，而在其余两 条带中较弱；同样，我们可以看到第三个谐振模式在s t u bl 中的电流强于s t u b2 和3 。这就意味着，当s t u b l 、2 和3 分别被延长的时候，三个谐振模式只有其中 一个或者两个的谐振频率会下降，而剩余的谐振频率基本保持不变，这样，各谐 振频率之间的比值就可以被改变了。 2 2 2 新型三角形多频天线参数特性和辐射方向图仿真分析 图2 4 和2 5 分别是，和厶变化对多频天线回波损耗的影响。正如前面分析 的那样，当- ，增大时第一谐振频率和第三谐振频率随之降低，同时第二谐振频率 基本保持不变。同样的，当，增大时，第一谐振频率和第三谐振频率基本保持不 变，而第二谐振频率随之降低。也可以预见到当厶增大时，第一谐振频率随之降 低，而其余的谐振频率将不会改变。 1 4 第二章平面天线多频化方法的研究 图2 3 三角形多频天线电流分布图 ( a ) 第一谐振模式( b ) 第二谐振模式( c ) 第三谐振模式 0 5 a1o 已 j t j - j 1 5 2 0 2 5 2 严1 4 m m j f l 5 m m 图2 4 不同1 对应的多频天线的回波损耗 ( 其他参数：d = 3 0 m m ， z = l l m m ， x = 1 3 m m ，d p - - 6 1 m m ，a l = 1 9 m m ，a z - - 1 2 m m ，w m l 4 m m ) 1 5 电子科技大学硕士学位论文 2 53 03 54 04 5 f r e q u e n cy g h z 图2 5 不同1 z 对应的多频天线的回波损耗 ( 其他参数：d = 3 0 册，l = 1 4 m m ，j = 1 3 m m ，d p = 6 1 m m ，a i = 1 9 m m ，a 2 = 1 2 m m ，w l = 1 4 m m ) 这也意味着当两个谐振频率比接近1 的时候，两个谐振频率会彼此相连，形成 宽带。如图2 6 所示，在各参数值为d = 3 0 m m ，l l = 1 4 n u n ，1 2 = 1 2 9 n u n ，1 3 = 1 3 m m ， d p = 6 1 m m ，a l = 1 9 m m ，a e = 1 2 m m ，w l = 1 4 m m 时，正和石相连形成5 7 ( s t i 一1 0d b ) 的相对带宽。 2 2 62 83 03 23 43 63 84 04 2 f r e q u e n c y g h z 图2 - 61 2 0 度钝角三角形天线的宽带设计的回波损耗 图2 7 、2 8 和2 9 为此多频天线三个谐振频率的方向图，各参数为：d = 3 0 n u n ， l l = 1 4 m m ，1 2 = 1 l m m ，1 3 = 1 3 m m ，辆1 m m ，a l = 1 9 1 t l m ，a e = 1 2 m m ，w 1 2 1 4 m m 。, - 7 p a 看出 1 6 o 巧 邶 啪 锄 岱 ； 一已=价 舶 彤 一p)：们 三个谐振频率点具有相似的辐射方向图。 d b 2 d n o r m a l i z e ( r 0 0 0 0 0 e + 0 0 0 1 9 e + 0 0 0 0 0 3 7 e + 饿硇l 5 6 e + 嘲i 7 4 e 棚 + 0 o i i 2 e + 饿硇 e + 嘲 明+ 0 臼i 2 b z 2 e + 默h 3 9 2 q b 帕0 1 5 0 6 0 3 0 e + i y 图2 7 三角形多频天线在2 7 6 g h z 时的仿真方向图 d b 2 0 n o r m a l iz b ( r o 0 0 0 0 e + 0 0 0 1 。4 4 3 5 e + 0 0 0 8 8 7 1 e * 0 0 0 + 啪 7 e + 0 0 0 6 i 2 e + 0 0 0 + 0 0 i 明i 8 3 0 z 图2 8 三角形多频天线在3 1 6 g h z 时的仿真方向图 电子科技人学硕士学位论文 d b 2 f l n o r m a l l z e ( r o 0 0 0 0 e + o 。 一9 1 3 1 8 e - 0 0 1 8 2 6 4 e + 。 7 3 9 5 e + 0 0 0 6 5 2 7 e + 0 s 6 s 9 e + 0 4 7 9 1 e + 0 0 0 3 9 2 2 e + 0 3 0 5 4 e + 0 2 1 8 6 e + 0 1 3 1 8 e + 8 0 0 0 0 4 5 e + 0 0 1 0 9 5 8 e + 0 0 1 1 8 7 1 e + i 2 7 8 4 e + 0 0 1 3 6 9 8 e + 。0 i 4 6 1 1 e + 0 0 1 z y 图2 9 三角形多频天线在3 9 6 g h z 时的仿真方向图 2 2 3 对条带加载多频化方式的分析 为了更好地研究条带加载在平面多频天线设计中所达到的效果。在这里，我 们将在保持相应结构参数不变的情况下，研究同样大小的顶角为1 2 0 度的等腰三 角形微带天线，如图2 - 1 0 所示。 图2 一1 0 同轴馈电的1 2 0 度等腰钝角三角形贴片天线 18 第二章平面天线多频化方法的研究 如图2 1 1 所示，天线在1 g h z 一4 5 g h z 频段并没有较好的匹配点，并且只有一 个谐振频率。而在图2 - 2 中，加载后的三角形天线在同样的频率范围内却拥有了 三个匹配的谐振频率点。 图2 1 l 同轴馈电的1 2 0 度等腰钝角三角形贴片天线的回波损耗 这是因为，任意一根外接的条带均可以调整贴片的阻抗，使整个贴片的阻抗 在一个频率或者两个频率下达到匹配，从而产生谐振。这样一来，我们可以认为 这根外接的条带与未加载时的贴片共同构成一个谐振结构。当接入多根条带时， 由于各条带接入的位置、长度、宽度上的差异，使得他们对整个贴片的影响也不 一样。这就可能存在以下几种情况：( 1 ) 某一个谐振结构是由一根条带影响产生， 如图2 1 2 ( b ) ；( 2 ) 某个谐振结构包含了一根以上的条带，如图2 - 1 2 ( a ) ；( 3 ) 一根 条带同时存在于两个谐振结构中，如图2 - 1 2 ( c ) ；当上述的两种或两种以上情况同 时发生时，便会使条带接入后的天线存在着多个谐振结构，如图2 - 1 2 。由于各条 带长度上的差异，使得各谐振结构的电流路径长度大相径庭，从而使得各谐振结 构谐振在不同的频率下。于是便形成了一个由多个工作在不同频率下的微带谐振 结构构成的多频天线。 1 9 电子科技火学硕士学位论文 ( c ) 图2 1 2 三角形多频天线的各谐振结构 ( a ) 第一谐振结构( b ) 第二谐振结构( c ) 第三谐振结构 2 2 4 条带加载的实施方法 图2 1 3 和2 - 1 4 是文献 2 9 中提出的条带加载的双频矩形微带天线的结构和 其阻抗图。从图2 1 4 中看出，天线可以在两个频率点上实现匹配，也就是可以双 频工作。但文中只是介绍了这一结构能产生的效果，并没有说明条带如何加载才 可以实现天线的多频化。 我们从图中观察到，条带是加载在天线辐射边缘上的；所以，可能条带加载 在天线的辐射边缘上可以实现天线的多频化。但仅从一例不能肯定这种想法，所 以需要研究此章所介绍的条带加载三角形多频微带天线的情况。 图2 - 1 3 条带加载的双频矩形微带天线的结构 2 0 第二章平面天线多频化方法的研究 i o o 5 0 d 鬈0 - o 兹2 4 0 02 6 0 0艄 f r e q c y m 翩 图2 1 4 条带加载的双频矩形微带天线的阻抗图 在图2 - 1 5 中，我们列举了未加载时的钝角三角形在4 、6 、8 g h z 三个频率点 上的电流分布图。从中可以看出，在三角形贴片用于加载的底边上，贴片的电流 较强，这就意味着三角形的底边可以作为一个辐射结构【3 0 】。因此，结合文献 2 9 中的结构特点，大致可以认为条带加载多频化方式的其中一种实施方法为：在贴 片辐射边缘( 即电流分布较为集中的边缘) ，通过加载一系列的条带，可使得整个 贴片形成多个谐振结构；再通过调整外接条带的位置、长宽，以使得所形成的多 个谐振结构工作在不同的频率下，从而形成多频天线。 么翘酝k 5 嚣 舄i 鬣霜l 器 _ 一r ，一一1 一1 t ，一一，t 一- ! ：i ：一j ：盟! ：1 图2 1 51 2 0 度钝角三角形贴片的电流分布图。 ( a ) 在4 g h z 时，( b ) 在6 g h z 时，( c ) 在8 g h z 时 电子科技人学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章介绍一种利用条带加载形成的新型三角形多频天线。条带加载这种方式 之所以能实现平面天线多频化，其原因是利用外接的条带调整天线的阻抗，使整 个天线在多个频率下产生谐振。就现有的结构来看，这种方式的主要实施方法： 在贴片电流分布较为集中的边缘处，通过加载一系列的条带，使整个贴片形成多 个谐振结构；再通过调节外接条带的位置、长宽，以使所形成的多个谐振结构工 作在不同的频率下，从而形成多频天线。但是，这里仅以两个例就说明这种方法 可以实现平面天线的多频化，有些过于偏颇，因此为了进一步证明外接条带能够 增加平面天线的谐振频率，我们将在下一章中设计一种双频带天线和一种三频带 天线，通过它们之间的对比来证明在贴片辐射边缘处使用条带加载的方式可以实 现平面天线的多频化。 第三章新型宽带多频带平面天线的设计 第三章新型宽带多频带平面天线的设计 图3 1 中的结构的地板和矩形条带共面，馈电微带在另一面；若以图3 一l 中 的结构来构造平面天线，则在图中的矩形条带的边缘处会有较强的电流分布，如 图3 2 。于是，这根矩形微带上电流分布较为集中的边缘变可作为辐射边缘，在这 些边缘上加载条带就有可能使整个天线成为平面多频天线。接下来，我们尝试着 这样去设计宽带多频天线。 = b 叩o t t o m l 矩形条带 黝蓊 l 荔 黼 钾豢鬻 | ) 豢鬻囊 雾 图3 1 微带馈线对矩形条带耦合馈电图 ( a ) 3 g h z( b ) 7 g h z 图3 2 微带耦合馈电时的矩形条带电流分布图 电子科技大学硕士学位论文 3 1 具有f 型寄生条带的宽带双频平面天线的设计和仿真 图3 3 所示的天线采用的是相对介电常数为4 4 、厚度为0 8 m m 的介质基片；基 片长宽分别为3 5 r a m 和2 5 m m ；f 型条带和地板印在介质基片的同一面，微带馈线印于 另外一侧，微带馈线宽度固定为1 6 m m 以达到输入阻抗为5 0 欧姆。相对于图3 一l ， 这个天线结构中的f 型寄生条带的竖直部分即为上图的矩形条带，而它的两个水平 臂则可看成是两根外接的条带。 lj x j 、 2 、 、 、 、 1 - 6 o _ 一 3 5_ 3。一 - 一 7 - o i l 4 t _ 。 3 6 纛掣 l l 3 毳l黝 1 2 i 侧面正面背面 图3 - 3 具有f 型寄生条带的宽带双频平面天线结构 3 1 1 具有f 型寄生条带的宽带双频平面天线的回波损耗 我们用c s t 和h f s s 两种仿真软件对此天线进行了仿真，其结果如图3 4 所示。 两个仿真结果近似吻合。对于h f s s 的结果来说，第一个频段从2 3 4 耍j 2 5 4g h z ， 带宽为8 2 ；第二个频段为5 0 8 多 6 2 5g h z ，具有2 0 7 的带宽。根据c s t 的结果， 第一的谐振模式的带宽为1 0 2 ，从2 3 3 至f j 2 5 8g h z ；第二个谐振模式带宽达到 0 9 8 g h z ( 4 9 6 5 9 4g h z ) ，中心频率为5 4 5g h z 。可以看出天线可以满足i e e e 8 0 2 1l b g ( 2 4 - 2 4 8 4g h z ) 和8 0 2 1 l a ( 5 1 5 - 5 8 2 5g h z ) 频段的要求。并且从 中我们还认为此天线是能够双频段工作的。 2 4 第三章新型宽带多频带平面天线的设计 2 0 4 5 f r e q u e n c y g h z 图3 4 具有f 型寄生条带的宽带双频平面天线的回波损耗，( s = 4 m m ) 3 1 2 具有f 型寄生条带的宽带双频平面天线的电流分布及谐振结构 分析 我们利用电流分布图来说明天线的两个谐振结构。图3 5 是两个不同模式的 电流分布图，通过对比发现，两个模式的电流分布的差异体现在f 形条带的较短 的臂上。在这根短臂内，高频模式的电流较强，而同一位置低频模式的电流较弱。 ( a ) 在2 4 5 g h z ( b ) 在5 5 g h z 图3 5 图3 3 所示的平面天线的电流分布图 ( a ) 在2 4 5 g h z ( b ) 在5 7 5 g h z 0 5 0 一p)= 电子科技大学硕士学位论文 这样一来，整个天线具有了两个谐振结构：一个包含了一根倒l 条带，另一 个则包含了整个f 型条带，如图3 - 6 所示的灰色部分。为了证明这一点，我们对f 型条带较短的矩形臂的长度进行参数扫描。 ( a ) ( b ) 图3 - 6 具有f 型寄生条带的平面天线的两个谐振结构在f 型条带中的部分 ( a ) 低谐振模式，( b ) 高谐振模式 图3 - 7 给出了s 变化对此贴片天线回波损耗的影响。当s 增大时高频模式的 中心频率随之降低，与此同时，低谐振模式的中心频率基本保持不变。这说明天 线存在两个谐振结构，而只有高频模式下的谐振结构才包含较短的矩形臂。 0 5 1 0 口 1 5 - 2 0 - 2 5 f r e q u e n cy g h z 图3 - 7 不同s 对应的平面天线的回波损耗 2 6 第三章新型宽带多频带平面天线的设计 3 1 3 具有f 型寄生条带的宽带双频平面天线方向图的仿真与分析 图3 - 8 和图3 9 为具有f 型寄生条带的宽带双频平面天线在2 4 5 和5 5g h z 时 的辐射方向图。从两张图中，我们可以看到此天线的方向图不是理想的全向的。 这可能是因为f 型寄生条带辐射的电磁波分布不均匀所致。 森德 趱剿 藤森 蹩裂 1 8 0 y - zp l a n e e m e 0 图3 8 图3 3 所示的宽带双频平面天线2 4 5g l - l z 的方向图 舔狲 蹩渺 一e o e e 德狲 耀 剿 一。沙 一 y - zp l a n e 图3 9 图3 - 3 所示的宽带双频平面天线5 5g h z 的方向图 g o 电子科技大学硕士学位论文 3 。2 具有h 型地板的宽带双频圆形单极子天线的设计 我们将图3 一l 的矩型条带改为t 型，并且使其往下移与地板相连；接着将微带 馈线的一端变为圆形贴片，这样就形成了具有h 型地板的圆形单极子天线，如图 3 1 0 所示。此天线的介质基片长宽分别为l = 4 0 m m 和w = 4 0 m m ，基片的介质常数为4 4 ， 厚度为1 6 m m 。一半径为r 的圆形贴片和5 0 欧姆微带馈线一起印制在基片的同一面， h 型地板印制在另一面。馈线宽度固定为w 。= 3 m m 以达到输入阻抗为5 0 欧姆。这个天 线的h 型地板的中间竖直部分等同于图3 1 的矩形条带，仍旧以微带耦合馈电，只 不过馈电微带的顶部变成了一个圆形贴片；h 型地板的两个臂便是两根外接条带。 yj 图3 1 0 具有h 型地板的宽带双频圆形单极子天线结构 3 2 1 具有h 型地板的宽带双频圆形单极子天线的电流分布及分析 为了研究天线的参数特性，我们先来看各模式电流分布；如图3 一1 1 所示，高 频模式和低频模式的电流在h 型地板的上臂分布是不同的，高频模式的电流强于低 频模式的电流。这表明，当h