（无线电物理专业论文）有限空间中的多天线集成.pdf

摘要 摘要 多输入多输出、多模式多频段等现代新型通信技术，都有赖于多天线的使用， 这样使得同一通信平台上需要安装多个天线单元，诸如在移动台等有限空间平台 下，多天线集成将是一项极富有挑战性的工作。一方面，需要天线元既具有良好 的性能又具有紧凑的尺寸；另一方面，当多个天线在有限空间中集成安装时，各 天线单元间需要具有良好的低相关性。 本论文正是针对上述问题，以宽带小型倒f 天线( p i f a ) 和天线元间相关性为主 要的研究对象作了创新性和探索性研究。主要内容为： 第一章为绪论。主要概述了小型宽带p i f a 天线和多天线集成提出的意义、历 史背景、研究进展及国内外研究现状和发展趋势，并说明了本文的主要工作。 第二章给出p i f a 天线宽带小型化及多天线集成技术的相关理论。 第三章设计了小型宽带p i f a 天线，给出了典型p i f a 天线演化成本文设计的 p i f a 天线的详细过程。 第四章提出了一种新的去互耦技术，在此基础上设计了一个基于p i f a 天线单 元组成的低互耦二元p i f a 天线系统，通过将天线单元放置于地板边缘，可以将天 线间互耦降低。 第五章通过m i m o 容量公式计算出第四章中设计的二元p i f a 天线的理论容量 值，与未采用该去互耦技术的二元p i f a 天线和s i s o 天线系统进行容量值比较， 容量明显提高。 第六章为全文总结。 关键词：小型宽带p i f a ，多天线集成，低相关性，通信容量改进 a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o u t p u t , m u l t i m o d em u l t i - b a n d ，a n d o t h e rm o d e r nn e w c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ed e p e n d e n to nt h eu s eo fm u l t i p l ea n t e n n a s ，w h i c h m a k e sm u l t i p l ea n t e n n an e e dt ob ei n s t a l l e da tt h es a m ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r m h o w e v e r , m u l t i - a n t e n n ai n t e g r a t i o na tl i m i t e ds p a c el i k et h em o b i l es t a t i o nw i l lb ea v e r yc h a l l e n g i n gt a s k o nt h eo n eh a n d ，t h ea n t e n n ae l e m e n tn e e dn o to n l yt oh a v e g o o dp e r f o r m a n c eb u ta l s o h a v ec o m p a c td i m e n s i o n s ；o nt h eo t h e rh a n d ，w h e n m u l t i p l ea n t e n n a sa r ei n t e g r a t e di nal i m i t e ds p a c e ，t h e r em u s tb eag o o dl o w r e l e v a n c e b e t w e e nt h ea n t e n n ae l e m e n t s t h i sp a p e ri sa i m i n ga tt h ep r o b l e m sf r o ma b o v e ，m a k i n gt h eb r o a d b a n ds m a l l i n v e r t e dfa n t e n n a ( p i f a ) a n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ea n t e n n ae l e m e n t sa st h e m a i no b j e c to fs t u d ya n dg i v i n gi n n o v a t i v ea n de x p l o r a t o r yr e s e a r c h t h em a i n c o n t e n t so ft h ep a p e ra r e ： c h a p t e rii n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c e ，h i s t o r i c a lb a c k g r o u n d ，r e s e a r c hp r o g r e s sa n d t h es t a t u sq u o ，a n dd e v e l o p m e n tt r e n do fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ho ft h e s m a l l s c a l ew i d e b a n di n v e r t e dfa n t e n n aa n dm u l t i a n t e n n ai n t e g r a t i o n ，a n dd e s c r i b e t h em a j o rw o r ki nt h i sp a p e r c h a p t e r i ig i v e sr e l a t e dt h e o r i e so ft h eb r o a d b a n di n v e r t e dfa n t e n n am i n i a t u r i z a t i o n a n dm u l t i a n t e n n ai n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y c h a p t e ri i id e s c r i b e st h ed e s i g no fas m a l l - s c a l ew i d e b a n di n v e r t e dfa n t e n n a ，g i v i n g t h ed e t a i l e dp r o c e s st h a th o wt h et y p i c a li n v e r t e dfa n t e n n ae v o l v e si n t ot h ei n v e r t e df a n t e n n ad e s i g n e di nt h i sp a p e r c h a p t e ri vp r e s e n t san e wt e c h n i c a la p p r o a c h ，w h i c hi sp l a c i n gt h ea n t e n n a sa tt h e e d g eo fg r o u n d ，t ol o w e rt h em u t u a lc o u p l i n g ，a n do nt h i sb a s i s ，d e s i g na d u a li n v e r t e d fa n t e n n as y s t e mw i t hl o wm u t u a lc o u p l i n g , c o n s i s t i n go fa n t e n n au n i tb a s e do nt h e p l a n a ri n v e r t e d fa n t e n n a c h a p t e rvg i v e st h et h e o r e t i c a lc a p a c i t yo ft h ed u a l p i f aa n t e n n ad e s i g n e di n c h a p t e ri vt h r o u g ham i m oc a p a c i t yf o r m u l a c o m p a r e dw i t ht h e d u a lp i f aa n t e n n a w i t h o u tp l a c i n gt h ea n t e n n a sa tt h ee d g eo fg r o u n da n ds i s oa n t e n n as y s t e m s ，t h e c a p a c i t yv a l u es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e s c h a p t e rv ir e p r e s e n t sf u l ls u m m a r y k e y w o r d s ：s m a l lw i d e b a n dp i f a , i n t e g r a t i o no fm u l t i a n t e n n a , l o wc o r r e l a t i o n , c h a n g i n go ft h ec o m m u n i c a t i o n sc a p a c i t y 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, 3 , j j j e j 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：匦重日期：年月 日 论文使用授权 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) 签名：蓬i 塑导师签名： b 期： j 、 称飙砍 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 移动终端倒f 天线及多天线集成的研究背景 移动通信中的物理信道必须要占据一定的频率、功率、时间和空间，但是这 些资源是有限的，并且是所有信道共享的。传统无线通信技术对频域、时域、码 域的信息以及发射功率资源的利用已经达到了一个前所未有的高度，但仍然无法 满足未来通信的巨大用户量和多样化业务，尤其是互联网多媒体通信的发展需求。 幸运的是，一条崭新的途径即空间域资源的开发解决了上述问题，空间域也成为 了最后一个无线通信中未被充分开发的领域，而多输入多输出( m u l t i p l e - i n p u t m u l t i p l e o u t p u t ，简称) 技术则是空间域开发的最重要手段之一，目前该方法已经 成为提高通信容量和扩展系统功能的重要技术途径。此外，随着当代无线通信技 术的发展，多模式多频段等通信技术也得到了广泛关注，它们同样可以改进无线 通信系统性能。然而m i m o 、多模式多频段等通信技术的应用，都有赖于多天线 的使用，使得同一通信平台上通常需要安装多个天线单元，但在诸如手持移动台 等有限空间平台下，多天线集成将是一个极富有挑战性的课题。一方面，需要天 线单元既具有良好的性能又具有紧凑的尺寸；另一方面，当多个天线同时集成安 装时，各天线单元间需要具有良好的低相关性。 1 1 1 移动终端p i f a 天线的研究背景 早在1 9 5 3 年，ga d e s e h a m p s 教授就提出了利用微带线的辐射原理来制作 微带天线，但在其随后的2 0 年里，这方面只有一些零星的研究，直到7 0 年代， 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需求，r e m u n s o n 和 j q h o w e l l 才成功研制出了第一批实用的微带天线。之后，基于微带天线和其阵 列许多优点，人们对其进行了广泛的研究开发，微带天线才得到了广泛的应用， 并逐步形成自己一套完整而成熟的理谢。当前，在微波天线这个广阔的领域里， 微带天线已经构成了一门具有自己特色的研究领域。微带天线有很多优点，低剖 面、重量轻、体积小、成本低、易于与载体共形、易于与集成电路集成【2 。】，相同 结构的微带天线可以组成阵列，获得更宽的带宽和更高的增益。有吸引力的热特 电子科技大学硕士学位论文 性和良好机械特性及具有低损耗角正切特性的基片的研制、平板印刷技术的改进、 更好的模型理论的提出和应用，使得微带天线的制作方法和分析设计有了更长足 的进步，于是各种各样的微带天线相继产生。由于集成电路技术工艺的发展，电 子产品越来越精巧细致，这对天线的尺寸也提出了更高的要求。在小型化的趋势 推动下，平面倒f 天线( p i f ap l a n a ri n v e r t e d fa n t e n n a ) 应运而生。p i f a 天线易 与载体共形、易与集成电路集成，同普通微带天线相比，p i f a 天线重量更轻、体 积更小、成本也更低，因此在无线移动通信中得到了广泛的研究和应用。 1 1 2 有限空间中的多天线集成的研究背景 无线通信系统多输入多输出( m i m o ) 技术能够充分开发空间资源，在不增加频 谱资源和发射功率的情况下，成倍地提高无线通信系统的容量与可靠性【4 枷。 m i m o 信道容量理论将经典的香农信息论扩展到更广义的m i m o 信息论，是信息 理论的一次重大飞跃，对无线通信的系统结构、信道理论、天线理论、编译码算 法等各方面产生了深远的影响，极大地激励了m i m o 技术的跨越式发展。然而， 无线通信系统的容量和可靠性的提高均是依赖于收发两端应用多个天线的使用， 而在多天线集成系统中，各天线单元之间电磁场相互作用和影响，会发生电磁耦 合效应，并且，随着天线系统持续小型化与天线单元数目日益增加的发展，天线 单元的间距不断减小，天线互耦逐渐成为影响m i m o 无线通信系统性能的最重要 因素之一，因为互耦会改变天线之间的接收信号的空域特性以及接收功率差，从 而影响后端的空时处理算法。因此，在天线阵列设计中，互耦一直是一个备受关 注的问题。到目前为止，各种文献资料中已经有很多种方法可以用来有效地降低 天线之间的互耦。 1 2 移动终端p i f a 天线及多天线集成的应用研究现状 1 2 1 移动终端p i f a 天线的应用现状 在很多文献中都有描述应用于移动通信终端p i f a 天线的例子。文献【7 】描述了 一种应用于p c s 系统的锥形贴片p i f a 天线，可达到2 0 的相对带宽。文献8 1 提 出了一种应用于u m t s 的t 型地板p i f a 天线，其测试的实际相对带宽为1 7 。 一种可应用于p c s 系统且相对带宽为2 1 的多边形贴片p i f a 天线在文献9 】中有 2 第一章绪论 详细的说明。文献【i o 】则设计了种应用于w c d m a 的典型p i f a 天线结构，该天 线具有1 5 的仿真相对带宽。文献【i l 】给出了一种应用于w c d m a 的t 型加载贴 片p i f a 天线，其相对带宽达到了3 8 。综上所述，这些p i f a 天线都只适用于一 种移动通信系统。也有可同时应用于几种无线通信系统的多频段或宽频段p i f a 天线的例子，如文科1 2 】提到一种同时覆盖三种通信频段( d c s p c s i ，m t s ) 的s 和 l 型宽频带p i f a 天线，以回波损耗( r e t u r nl o s s ，r l 或s 1 1 ) 低于6 d b 计算其带 宽达到3 3 。此外，也有采用多个独立的馈电结构和辐射贴片来产生多频的p i f a 天线，例如文献1 1 3 _ 1 4 】，但这类天线馈电复杂度增加，面积也较大。 现在的情况是：能够同时应用于三种以上无线通信系统的小型宽频带p i f a 天线仍然比较少因此，当前p i f a 天线设计的主攻方向是单层贴片的可同时应用 于多种移动通信系统终端的小型多频段或宽频带的p i f a 天线。 1 2 2 有限空间中的多天线集成的研究现状 对于有限空间中的多天线集成这一难题，近年来，人们已进行了诸多艰难的 探索，尽管已有的研究还没有能很好地解决这一领域的相关问题，但相关结果表 明对于有限空间中多天线集成的研究已经取得了良好进展。 到目前为止，在各种文献资料中已经有很多种方法可以用来有效地降低天线 之间的互耦。例如，文献【l5 】中作者提出一种减小互耦的有效方法，即将贴片下面 的介质进行加工使得天线下面存在空气。虽然文献中没有给出详细的物理解释， 但种方法确实很有效，实验显示互耦降低幅度在1 0 d b 以上。在文献【1 6 1 中，作者 利用短销钉抑制衬底的极化电流，互耦幅度降低达1 5 d b 。由于表面波耦合的特殊 性，故天线元间表面波的有效抑制在降低互耦方面显得尤为重要。在不少文献资 料中的一些方法明确地指出其目的是为了抑制表面波。如天线单元贴片尺寸的优 化可以使天线贴片之间的表面波不存在f 1 7 j8 1 ，又如在介质上开槽【1 9 1 ，使用多层的 介质【2 0 】以及印刷各种样式的带阻结构【2 心6 】等等。这些方法都有效地抑制了天线单 元间存在的表面波，大大降低了表面波耦合，从而天线单元间的互耦大大降低了。 文献【2 7 】是通过在天线间放置若干金属带来达到降低高阻抗地板上的偶极子间互 耦的目的，天线单元问的互耦降低了大约6 d b 。相似的方法在文献【2 8 】中被应用在 了m i m o 微带天线阵列中用来降低天线元问的互耦，同样取得了良好效果。 综上所述，已经提出很多种用来降低天线单元间互耦的去耦合技术方法，但 有些方法如抑制表面波的短销钉以及多层介质等需要占用较大的额外空间或者加 电子科技大学硕士学位论文 工起来比较复杂、成本较高，所以当前主要需要研究的是效果显著、小型简单有 效的去互耦技术方法。 1 3 本论文的主要工作 多输入多输出、多模式多频段通信系统需要依赖多天线的使用，同一通信平 台上通常需要安装多个天线单元，但在如手持移动终端等有限空间下，多天线集 成却是极富有挑战性的。因为需要天线单元既具有良好的性能又具有紧凑的尺寸， 同时多个天线同时集成安装时需要各天线单元间需要具有良好的低相关性，而同 时满足这两方面按照传统方法设计出的天线是无法满足现实的需要的。 本论文就是针对这一问题从两方面研究，我们的主要目的是通过一些比较简 单而又有效的方法，设计出一种小型宽带p i f a 天线，再通过将设计出的小型宽 带p i f a 天线作为天线单元，进一步通过一种新提出的去互耦技术方法设计出新 的具有低互耦的二元天线系统。 本论文的主要内容安排如下：第二章主要介绍p i f a 天线的基本相关理论和 有限空间中多天线集成去互耦技术方法。第三章设计了一种小型宽带p i f a 天线， 仿真并加工成实物，测试出了相关参数。第四章将第三章设计的小型宽带p i f a 天线进行部分修改作为天线单元，提出了一种新的降低互耦的技术方法，在此基 础上设计并加工出一种新的二元倒p i f a 天线，对相关参数做了详细分析。第五 章对第四章中设计的二元p i f a 天线进行理论容量计算，并与为采用该去互耦技 术的二元p i f a 天线和s i s o 天线系统的理论容量进行比较。第六章总结了全文的 研究成果和创新工作。 4 第二章基本理论概述 第二章基本理论概述 2 1 平面倒f 天线的基本理论 平面倒f 天线是由最简单的微带天线转化而来的，将带有金属接地板的微带 天线的介质基片去掉变为空气介质后，就得到了平面倒f 天线。 p i f a 天线具有小型化、重量轻、低剖面、成本低、比吸收率低、易集成且和 载体共性等一系列优点，其结构紧凑、设计简单。通过一个短路金属平面或者短 路金属线，就能够谐振在一个相对较小的天线尺寸，同时可实现多频段或宽频带 特性。正因如此，p i f a 天线得到了极为广泛的应用，尤其是应用于无线通信终端 设备。 2 1 1 平面倒f 天线的结构 平面倒f 天线( p l a n a ri n v e r t e d fa n t e n n a ) 简称p i f a 天线，由辐射贴片、短路 贴片，馈电和地板四部分组成。典型的结构如图2 1 所示。可以对平面倒f 天线 的四个组成部分进行结构改变，就又可以得到不同的结构类型。 图2 - 1p i f a 天线的典型结构图 2 1 2 倒f 天线的性能指标 倒f 天线的性能参数有频率、带宽、输入阻抗、s 参数即反射系数s 1 1 、电 电子科技大学硕士学位论文 压驻波比v s w r 、方向图、效率和增益等。 2 1 2 1s 参数 在微波理论中，微波网络的阻抗z 、导纳y 、转移参数a 都是从电压电流出 发定义的，但在微波波段电压电流已失去确切定义。z 、a 、y 参数在微波波段变 成抽象的定义参数，无法直接通过测量得到，所以需要一种在微波波段能够直接 测量的网络参数。因此s 参数就是从归一化入射波和反射波出发，定义出的一组 新的网络参数一散射参量。 s 参量的二端口网络模型如图2 - 2 所示。 【s 1 呜 卜一 - 6 i 图2 - 2 两端e l 网络s 参量示意图 端口l 的归一化入射波和反射波为a l 、b i ，端口2 的归一化入射波和反射波 为a 2 、b 2 ，两端e l 入射波和反射波的关系为： b t = s n a t + & 2 a 2 6 2 喝l a l + s 2 2 a 2 写成矩阵形式有： 未地 或 b 】= s 】 口】 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 其中，b 为归一化反射矩阵，a 为归一化入射矩阵，方阵s 为散射矩阵，简称s 矩阵。s 矩阵的各参数为s 参数。其物理意义如下： s ：堕l 为2 端口接匹配负载时1 端口的反射系数； q l a 2 o 6 土盲 第二章基本理论概述 岛：= 堕i 为l 端口接匹配负载时2 端口的反射系数； 口2 i d i = o 墨：= 垒l为1 端口接匹配负载时2 端口到l 端口的电压传输系数； 口2 1 4 i l o 足= 垒l为2 端口接匹配负载时l 端口到2 端口的电压传输系数。 a t l 4 ，o 当天线馈电端1 2 1 和天线匹配时，端口散射参量s l i 即为端口反射系数，表示 为反射电压与入射电压之比。 天线的电压驻波比( v s w r ) 为输入端口的电压波腹值与电压波节值之比，它反 映了反射波的有无与大小。电压驻波比与s l i 的关系式表示为： v s w r = 铡 ( 2 - 5 ) 网络分析仪可以方便地测出微波有源和无源网络的电压驻波比，观察电压驻 波比曲线时，i v s w r 2 之间的频段为满足条件的频带宽度。 2 1 2 - 2 方向性特性参量 天线的方向性是天线最重要的特性参量，直接反应天线辐射场的空间分布， 天线方向性的数学表示称为方向函数，是天线辐射强度与空间坐标之间的函数关 系。有场强方向函数和功率方向函数两种方向函数，功率方向函数正比于场强方 向函数的平方。天线的方向函数表示以天线为中心，距离天线r 处，球面上各点 辐射场的幅值或功率密度的相对比较。对不同天线按同一尺度进行方向性的比较， 通常是把天线的方向函数最大值归化，即 朋咖器 ( 2 - 6 ) 通过方向函数绘制到坐标系中的图形就是天线的方向图。方向图有二维方向 图和三维方向图，三维方向图更形象、直观，基本与空间实际完全一致。但在工 程实际应用中，给出几个主要平面上的方向图就可以了，这大大减少了绘制天线 方向性图的工作量。 在本文p i f a 天线的仿真和测试过程中，给出各频点在x o z 、y o z 、x o z 面的二 维方向图，从中分析比较天线辐射的方向性是否满足无线通信的要求。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 2 3 方向系数和增益 方向系数定义为天线在主辐射方向上远处的辐射功率密度品与相同辐射功 率下的全向天线在该点处的辐射功率密度s 之比，用d 表示为： d = 墨s( 2 - 7 ) 天线方向系数表示了在相同距离时主辐射方向上辐射强度与平均辐射强度之 比，体现了天线主辐射方向上辐射功率的集中度，而方向函数和方向图则表示了 天线在各个方向上辐射强度的相对大小。 天线增益g 的定义为：天线在主辐射方向r 处的辐射功率密度与相同输入功 率平均分配到r 处所在球面上时的该处功率密度之比。增益g 是p i f a 天线仿真 和测试过程中的一个重要参量，也可以用来表示天线在主辐射方向上辐射功率的 集中度。显然，增益g 和方向系数d 区别在天线效率呀上，天线效率值高的天线 的增益和方向系数可以差别很小。 2 1 2 4 效率 天线的输入功率并不是以电磁波的形式全部辐射出去，其中有一部分能量在 转换过程中产生损耗。所谓天线效率用叩表示，是指辐射功率尸r 与天线输入功率 只。之比，引入辐射电阻风和损耗电阻尺i 后，功率表达式为： 7 = 乞= 彘 仁8 ， 为了提高天线效率，应尽可能提高辐射电阻、减少损耗电阻。 2 2 平面倒f 天线宽带小型化技术方法 在现代无线通信和移动通信系统中，低剖面、低成本、易集成的小型化天线 的需求量与日俱增。微带天线具有低剖面、重量轻、成本低等许多优点，然而在 一些无线终端设备，诸如d c s 、g s m 、p c s 、i m t 2 0 0 0 及w l a n 中，传统微带 天线的尺寸仍显的过大而不适用于手持终端。p i f a 天线的产生进一步缩小了天线 的尺寸，得到了广泛应用，但尺寸减小的同时带宽相应变窄，所以各种p i f a 天 线的宽带小型化技术得到深入的研究。 p i f a 天线的小型化是指在减小天线的尺寸同时保持其工作频率不发生变化， 但天线的尺寸会影响到带宽、增益等因素，因而减小尺寸往往使天线带宽和增益 性能下降。本节针对所进行的课题的研究重点，详细介绍p i f a 天线的小型宽带 第二章基本理论概述 技术。从结构上来讲，平面倒f 天线属于微带天线的一种，所以微带天线的小型 化技术同样适用于p i f a 天线的小型化。随着研究的不断深入，提出了多种不同 的小型化方法，例如采用高介电常数基板、添加容性负载、在贴片上开槽等。实 现p i f a 天线的宽带小型化可以从天线的馈电部分、接地板、介质板、贴片几部 分着手。下文将遵从这个主线展开阐述和讨论。 2 2 1 改变馈电结构 2 2 1 1 在同轴探针的顶部附加小的平板电容对贴片天线进行馈电 在文献【2 明中提到的微带贴片天线结构如图2 3 所示，采用同轴探针馈电相当 于引入了电感，可相对地降低谐振频率或者减小尺寸，但由于电感增加而电容不 变会使阻抗失配，故可在探针顶端加一小金属贴片，这样相当于在金属片和辐射 元间引入了电容，故调节金属片大小或者探针长度可达到阻抗匹配的目的。 予 l 玳r l a y e r 2 l p r o b e c a p a c i t o r p a t c h 罂。眦d p | a - u e 图2 - 3 附加平板电容的同轴馈电 2 2 1 2 附加阻抗匹配网络 附加阻抗匹配网络属于馈线匹配问题。与传统自谐振天线相比，非谐振耦合 元件的输入阻抗通常不能自觉地调谐，这时就可以附加一个阻抗匹配网络，因为 阻抗匹配是由单独的电路来完成的，所以可以自行设计匹配网络来达到最佳匹配 情况1 3 0 。 2 2 2 改变接地板结构 保持天线贴片形状不变，在地板上开槽，可以引导贴片中的电流发生弯曲， 9 电子科技大学硕士学位论文 从而增加电流路径的有效长度，降低谐振频率。同时，由于地板开槽造成了微带 天线q 值的降低，天线的带宽也会有相应的增加。例如文献0 1 1 在地板上开多个 c s r p , 结构的槽，c s r r 可看作一个电偶极子由轴向电场激励并在谐振频率附 近显示出强色散以降低导波长。与传统天线相比，带宽可得到6 7 的提高。 图2 4 在地板上开若干个c s r r 结构槽 2 2 3 改变介质扳参数或结构 展宽带宽的基本途径是降低等效谐振电路的口t 值。带宽定义为输入电压驻 波比s ( e s w e ) 在某一容限值以内的频率范围。带宽的定义如下： b w ：兰( 2 9 ) g s 2 231 采用厚基板或介电常数较小的基板 通过增大基板厚度可以使得辐射电导也随之增大，从而辐射对应的品质因素 q t 及总的品质因素q t 值下降。由公式( 2 - 9 ) 可知这种方法可以展宽带宽。 公式( 2 9 ) 已经给出了带宽的定义，下面给出其它几个重要参量的定义公式： 品质因素：q = 之( a 常数) ( 2 1 0 ) 凡“ 存储能量： w ，2 i i 籀( k 神2 ( 2 _ 1 1 ) 损失能量： 耳2 # + 只+ 只 ( 2 1 2 ) 只为介质损耗，尸d 为导体损耗，但这些损耗与辐射能量尸r 相比较很小，因而可以 忽略不计，即： 第二章基本理论概述 弓= e = 等e ( 2 - 1 3 ) 将式( 2 - 1 1 ) 和式( 2 - 1 3 ) 代入式( 2 一l o ) ，可得式( 2 1 4 ) ： g = 壬a ( 2 1 4 ) a o n 其中，r 是介电常数，是电压，o 是导磁率，岛是介电常数，g 是圆贴片 半径，h 是介质厚度( j l l 勘l 蝴2 ) ， 是谐振频率，尸r 为辐射功率，彳为常数。 从式( 2 9 ) 中可以看出，贴片天线的窄频带特性是由高妍的谐振特性决定， 从式( 2 - 1 4 ) 础a 看出，采用较小的相对介电常数研可以降低m 。 2 2 3 2 采用多层介质基板 在两层或更多层基板之间采用微带耦合馈叫3 2 1 ，通过改变贴片振子与馈线的 相对高度和相对位置，可获得一个匹配点。 图2 - 5 采用多层介质基板 2 2 3 3 在介质板中开空气穴 在使用高介电常数的介质板上很容易产生表面波，通过在介质板上开多个空 气穴【3 3 】，s r 相对降低，b w 增大，尺寸不变。同时介质板对电磁场有束缚作用， 开穴以后束缚作用降低，电磁波更容易散播出去。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 4 改变天线结构 pr o b e 图2 巧在介质扳中开空气穴 2 241 在贴片上开槽 在贴片上的不同位置开不同形状的槽可等效成引入了阻抗匹配元件，例如u 、 l 、h 、t 型槽结构o - 3 7 1 ，缝隙边缘电流引入了附加谐振，同时也引入了容抗，与 探针的感抗相抵消，开槽增大电流路径从而b w 增大。 2 2 4 2 改变贴片形状 作为辐射元的金属贴片可以加工成任意形状，如e 形微带贴片天线口”、蛇形 线结构 3 9 1 等等，e 形贴片上平行分列着两个矩形槽，馈电探针在两槽中央，这两 个槽相当于在原有矩形微带天线基础上增加了一个耦合l c 谐振回路，从而使天 线工作于两个谐振频率上，当谐振点较近时，就大大拓宽了带宽，虽然e 形贴片 带宽很大，但尺寸却有半个波长，对实际应用来说尺寸过大，改进在于在贴片辐 射边缘引入又一个矩形槽。如图所示，这样带宽达1 26 ，但尺寸可减小到原e 形贴片的3 0 。而蛇形线可显著增大电流有效路径，从而大大减小尺寸。 四凹 a ) e 形蚺片 b ) 辐射边缘开槽的e 型贴片( c ) 蛇形贴片 图2 - ? 改变贴片形状 第二章基本理论概述 ( 3 ) 在辐射元周围加载一个或多个寄生元【4 0 1 。寄生元需要可以是任意形状( l 型、u 型、方形) 等等，被激励贴片与寄生元间的耦合相当于引入了容抗，可降低 谐振频率或者减小尺寸，同时也增加多个谐振频率，大大提高带宽达4 8 。 以上对微带天线的宽带小型化做了全面的阐述，在实现天线的宽带小型化过 程中，有时候会综合使用前文所列举的多种方法，以期达到优势互补。 2 3 多天线集成的相关方法技术 随着当代无线通信技术的发展，多输入多输出( m u l t i p l e i n p u t m u l t i l 3 l e - o u t - p u t ，简称m i m o ) 、多模式多频段等通信技术得到广泛关注， 目前 这些技术已经成为提高通信容量和扩展系统功能的重要技术途径。然而这些技术 的应用，都有赖于多天线的使用，使得同一通信平台上通常需要安装多个天线单 元，但在诸如手持移动台等有限空间下，多天线集成将是一个极富有挑战性的课 题。一方面，需要天线单元既具有良好的性能又具有紧凑的尺寸：另一方面，当 多个天线同时集成安装时，各天线单元间需要具有良好的低相关性。 多年来，人们对天线单元的集成化和小型化这一课题进行了大量的研究，并 取得了一系列成果，如k i n l uw o n g 在( ( c o m p a c ta n db r o a d b a n dm i c r o s t r i p a n t e n n a s ) ) ( j o h nw i l e y & s o n s ，i n c ，2 0 0 2 ) 一书中分类总结了平面天线集成化、小 型化的各种有效方案。对于有限空间中的多天线集成这一难题，近年来，人们已 进行了诸多艰难的探索，尽管已有的研究还没有能很好地解决这一领域的相关问 题，但相关结果表明对于有限空间中多天线集成的研究已经取得了良好进展。 2 3 1 有限空间中的多天线高效集成的主要途径 实现有限空间中的多天线集成既是要解决多天线间的电磁兼容问题，以提高 天线端口间的隔离度，从而降低各天线对应信道间的相关性。针对降低相关性这 一课题，当前所采取的主要技术手段包括以下几个方面。 2 3 1 1 各天线单元辐射方向图指向不同方向 参考文献【4 i 】提出了一种三天线单元集成系统，如图2 8 所示。将三个方向图 主瓣指向不同方向的天线集成在同一平面，这样可使各天线方向图在整个辐射区 域内互补而不会互相干扰。天线l 、3 分别向左右空间辐射能量，而天线2 向前方 辐射能量，这样三个天线元方向图在空问上就形成了互补从而实现了整个天线系 电子科技大学硕士学位论文 统的全向辐射。天线元间互耦在85 d b 一下，如果各天线单元方向图交叉太多的 话，那么互耦就会相对大一些。 图2 - 8 个徽带开环天线集成 2 3 12 添加隔离结构 多个天线集成在同一平台上，为了保证隔离度，天线元问的干扰尽可能小， 一般要求各个天线元的间距最低达到二分之一个波长，然而在空间有限的情况下 这一要求很难满足。为了减小天线元间的电磁耦合，一种有效方法是在天线元间 添加电磁耦合隔离结构，包括在天线元间开槽、添加若干个寄生元和附加反射体 等，其中心思想都是使得天线元问增加的结构具有空间滤波作用。 ( 1 ) 增加切槽 安装在同一天线系统地扳上的多个天线会产生表面电流而导致各单元问的电 磁干扰，参考文献1 4 2 中提出在地板上各单元间加开切槽，该切槽等效引入了一个 串联r l c 谐振电路。在谐振频率上，谐振电路会抑制介质地板电流，这样天线 单元问的隔离度就得到了提高，在频带内的互耦被抑制在- 1 5 d b 以下，与不使用 切槽相比互耦又降低了5 d b 。增加切槽以降低互耦在技术上比较容易实现，且效 果比较明显。天线系统结构和加载切槽原理分析如图2 - 9 所示。 同圆田 第二章基本理论概述 ( 2 ) 增加谐滤波结构 参考文献1 4 3 略出了一种4 个贴片天线单元构成的四信道m i m o 天线，天线单 元间添加了若干条寄生微带线，使寄生微带线产生了谐振阻带通过调节微带长 度变换谐振阻带从而抑制了单元间电磁耦台，使天线单元间电磁耦台明显降低， 耦台可由_ 2 0d b 降低到_ 4 0 d b 。天线系统的详细结构如图2 一i o 所示。 图2 1 0 m i m o 天线结构 ( 3 ) 增加短路臂 参考文献m i 提出了另一种在天线元间添加隔离结构以提高天线系统电磁兼 容性的有效方法，如图2 - 1 l 所示。两天线单元通过共面波导馈电在单元问附加 一个长度为l 的“t ”形接地臂，相当于引入了一个电壁，该接地臂作为天线反 射器将两个天线的方向图隔离，从而起到了降低天线元间相互干扰的作用。调节 l 的大小可以改变端口问的隔离度，可达到2 5d b ，隔离度可以提高1 4 d b 。 图2 - 1 1 接地臂天线系统 ( 4 ) 采用电磁禁带结构 当多天线平台为同一介质基扳时，天线辐射将会在介质衬底内激励超表面波 电子科拄大学硕士学位论文 使用电磁禁带结构，能够改变介质的有效介电常数分布和表面波传插路径上的分 布电容电感，从而产生带隙等特性，形成对表面波的抑制。常用的电磁禁带( e b g ) 结构有缺陷地型、基底周期打孔型、高阻抗表面型三类结构。参考文献1 h 1 提出 了采用高阻抗表面抑制天线元互耦的方案通过在基底表面安置许多周期排列的 小贴片，并将每个贴片用金属柱与接地板连接构成，分析表明该表面等效为一理 想碰导体( p e r f 篦：tm a 部e t i cc o n d u c t , p m o 。参考文献 忉中将高阻抗表面放置在两天 线元之问，抑制了表面波的传播，与不使用e b g 结构相比天线元间的耦台降低了 8d b 。采用高阻抗表面e b g 结构的二元天线顶视图如图2 1 2 所示。 图2 一1 2 采用高阻抗表面e b g 结构的二元天线顶视图 2 3 1 3 各天线单元相互正交放置 天线辐射场极化正交是降低天线端口间相关性最有效的方法之一，因为完全 正交的两个矢量其相关性为0 ，所以天线元在空问中正交放置可使辐射场正交从 而降低天线元间的相关性。但是值得注意的是，只有在天线线极化比较明显时 正交放置才能达到低相关，因为线极化特性不好时会使各单元的主极化和交叉极 化互扰从而互耦会非常大。 在参考文献【4 8 i 研究的m l l d o 天线系统中，3 个槽天线各自所在平面两两正变， 如图2 - 1 3 ( a ) 所示。因为3 个天线位置正交，且图中槽天线线极化明显，所以耦合 非常小，其互耦在3 2 d b 以下。图2 - t 3 f o ) 是一个单极予天线和微带贴片天线的集 成 4 9 1 。端口1 和端口2 通过同一矩形贴片馈入信号辐射两个端口互相垂直，致 使它们激励的辐射方向图正交，从而端口1 和2 的相关性较小，互耦被抑制在2 0 d b 以下，而且共用一个辐射元天线体积也大大的减小。端口3 为一与贴片垂 直的单极子天线与其它两个端口互耦在- 1 5d b 以下，所以3 个端口的方向图具 有低相关性。 第二章基本理论概逑 尊匣i ( 的三个正交槽天线：单极子天线与矩形微带天线正交集成 图2 1 3 正变天线 23 1 4 多模天线 多模天线是通过利用一个天线的多种模式来接收和发射信号的，适用于 m i m o 天线系统的小型化，通过不同位置的激励，天线可匕l 产生多种模式 删。选 择相互正交的模式，则激励端口的相关性t i b l , ，从而可以达到降低天线端口耦合 的目的。4 臂多模螺旋天线示意如图2 一1 4 所示。 2 32 各集成技术的比较 图2 1 4 四臂多模螺旋天线 综合上述各种有限空间多天线集成技术，从技术实现难易、隔离效果和使用 情况等几个方面进行比较，结果见表2 - 1 。 裂。氅游 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 1 有限空间多天线集成技术比较 技术方法实现难易隔离效果在什么情况下采用 方向图互补容易随天线单元定向性而当天线单元方向图定向性好且互 定 补 添加切槽容易 一般( _ 5d b ) 一般均可使用 添加谐振滤波结构 较难 好( - 2 0 d a ) 一般均可使用 增加短路臂较易 较好( 1 4 d b ) 一般均可使用 各单元采用准隔离地 较难 较好( 1 3 d b ) 一般均可使用 板 采用电磁禁带结构较易 较好( 8d b ) 一般均可使用 单元相互正交放置较难好 ( ( 2 0 d b )天线单元具有好的线极化 多模天线难好各模式正交 以上针对有限空间中多天线的集成技术方法的优劣势做了较为全面深入的阐 述。有限空间中的多天线集成技术研究是多输入多输出、多模式多频段无线通信 系统应用的难点课题，未来的通信系统将向着更高集成化发展，各通信模块将占 用更小的空间，从而多天线集成的天线单元也必然地朝着小型化方向发展，而天 线小型化的同时又会面临单元间的电磁兼容问题，这就对产生新的提高端口隔离 度的技术方法提出更大的挑战。要想解决这一难点问题，综合以上多种方法实现 各种方法的优势互补不失为一优良的解决方案，同时，还可以尝试融入新的技术 方法，例如左手材料等来进一步解决问题。 尽管多天线集成中小型化和电磁兼容问题还有待进一步的解决，但在频带资 源有限而高速数据需求无限增长的现实下，通过增加天线单元数目来提高频带利 用率、增加空间自由度、改善系统性能已经成为无线通信领域中的一个研究方向。 有限空间中多天线集成以其特有的优点将成为未来移动通信中的关键技术之一， 将对无线通信系统的发展产生深远的影响。 第三章移动终端小型宽带p i f a 天线研究与设计 第三章移动终端小型宽带p i f a 天线研究与设计 基于小型化和宽带的需求，本章提出了一种实用的小型宽带p i f a 天线，通 过弯折辐射贴片元和方形开槽不仅获得了双重谐振频点而达到了拓宽带宽的目 的，同时使得天线的尺寸得以缩减。商用电磁仿真软件计算结果表明，该天线在 1 0d b 以下的蜀i 回波损耗测量带宽有7 9 0m h z ，从1 7g h z 到2 4 9g h z ，相对 带宽约3 8 2 ，可同时覆盖d c s l 8 0 0 ( 1 7 l 1 8 8 g h z ) 、p c s l 9 0 0 ( 1