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摘要 研究渐变槽线天线在移动及 无线通信基站中的应用 摘要 本学位论文旨在研究新型结构的渐变槽线天线，探索其在移动及无线通信系统中的应 用。在传统的对称渐变槽线天线的基础上，根据通信小区基站服务覆盖对天线方向性图的赋 形要求，设计具有特殊辐射效果的非对称渐变槽线天线。传统的基站天线采用沿铅垂面排列 的偶极子阵列天线，需借助不等幅、不同相的馈电网络以实现方向性图的赋形综合及优化、 由此需设计复杂的专用馈线网络。本文首先设计了一种适用于移动通信用的非对称渐变槽线 基站天线，整个天线用一片金属设计，成本低廉，通过仿真验证后，证明该天线可实现方向 性图赋形的目的，主要内容包括：上副瓣的抑制、下零点的填充、以及主向按需适度下倾等。 仿真得到最高增益为1 0 5 d b i ，覆盖效率最低达6 4 ，v s w r 2 的双频带阻抗带宽为 ( 0 8 2 1 1 2 ) g h z , ( 1 7 1 2 5 9 ) g h z 。 通过改进设计，本文还设计了一种金属栅条加载的非对称渐变槽线天线，通过金属栅条 加载，可使天线的增益较传统的渐变槽线天线增加( 1 2 ) d b i ，并使天线主向均匀下倾。具体 方描述为：改用在铅垂面内水平伸展的渐变槽线式行波天线取代垂直阵列天线，并借助调整 两条渐变曲边的线形、在槽线天线接地板上采用抗流结构，在槽线天线的后面用两片后置反 射板来轭置后向辐射，于槽线天线的槽缝内加金属栅条来导行波向前辐射等手段，实现方向 性图赋形的目的，包括：上副瓣的抑制、下零点的填充、以及主向按需适度下倾等。计算机 仿真和样品实测的结果都确认了本方案的有效、可行。在中心频率时，实测增益达到1 1 9 3 d b i ，天线的辐射主向沿b 面下倾8 0 ；上半空间的第一副瓣电平低于一1 0 1d b ，下半空间的 零点补充效果明显，最大前后比达2 0 d b ；有效服务的功率覆盖效率仇高于6 9 ，良好地利 用了辐射功率；同时，天线的水平面( h - 面) 半功率波束宽度具有对称特性并保持在 4 3 1 0 “6 8 0 范围内，符合实用要求。v s w r _ 2 0 ：1 之阻抗频带为( 2 0 6 0 ) g h z ；在( 3 3 3 8 ) g h z 和( 5 1 5 8 ) g h z 两个w i m a x 频段内的v s w r _ 1 5 ：l 。 关键词：渐变槽线天线，方向性图赋形综合，移动通信用基站天线，无线通信用基站天线 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st od e v e l o pan o v e lt a p e r e ds l o t l i n ea n t e n n a ( t s a ) f o rt h e a p p l i c a t i o ni nm o b i l ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s b a s e do nt h et r a d i t i o n a lt s aw i t h s y m m e t r i c a ls t r u c t u r e ，i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t si nv e r t i c a lp a t t e mo fab a s e - s t a t i o n a n t e n n a ，an o v e lb u ts i m p l es t r u c t u r eo fa s y m m e t r i c t s am a d eb yo n em e t a li sp r o p o s e df o r r e a l i z i n gt h ep a t t e r ns y n t h e s i s f i r s t l y , ap r o t o t y p ei sd e s i g n e dw i t hc e n t r a lf r e q u e n c yo f1 6g h z b ya d j u s t i n gt h e p r o f i l e so ft h ea s y m m e t r i c a lc o n d u c t i n gp l a t e sr e s p e c t i v e l y , c u t t i n gt h ec o r r u g a t e ds l o t so nt h e u p p e rs i d e - e d g e ，a n ds e t t i n gab a c k e dp l a t ef o rs i n g l ea s y m m e t r i c a lt s as t r u c t u r e ，t h ev e r t i c a l p a t t e r nm e e t st h es y n t h e s i z e dr e q u i r e m e n t s t h em e a s u r e dr e s u l t sa r e - 8 0b e a mt i l t i n g ，n u l l f i l l i n gi nt h el o w e rs i d e ，s u p p r e s s e ds i d el o b e ( 1od b ) i nt h eu p p e rs i d ea n dt h ec o v e r a g e e f f i c i e n c ye x c e e d s6 4 ；w h a t sm o r e ，i t sh o r i z o n t a lp a t t e r nm a i n t a i n sh p b ww i t h i n4 5 。8 9 。； i t sp e a kv a l u e o fd i r e c t i v eg a i nr e a c h e su pt o10 5d b i ；i t si m p e d a n c eb a n d w i d t hf o rv s w r 2 ：1a r e ( 0 8 2 1 1 2g h z ) a n d ( 1 7 l 2 5 9g h z ) r e s p e c t i v e l y t h e nan e wm e t a lb a rl o a d e dw i t ha s y m m e t r i c a lt a p e r e ds l o ta n t e n n ai sd e s i g n e d ，w h i c h c a nb eu s e di nb a s es t a t i o nf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h i sa n t e n n ah a sg o tt w ob a n d so f 3 5 g h z & 5 8g h za n di s c a p a b l eo fr e a l i z i n gt h ev e r t i c a lp a t t e r nw h i c hs a t i s f i e st h e s y n t h e s i z e dr e q u i r e m e n t s t h em e a s u r e dr e s u l t sa r e - 8 0b e a mt i l t i n g , n u l lf i l l i n gi nt h el o w e r s i d e ，a n ds u p p r e s s e ds i d el o b e ( - lo 1d b ) i nt h eu p p e rs i d e ，t h ec o v e r a g ee f f i c i e n c ye x c e e d s 6 9 ；w h a t sm o r e ，i t sh o r i z o n t a lp a t t e r nm a i n t a i n sh p b ww i t h i n4 3 1o “6 8 0 ；i t sp e a kv a l u e o fd i r e c t i v eg a i nr e a c h e su pt o13d b i ；i t si m p e d a n c eb a n d w i d t hf o rv s w r 2 ：1i so v e r3 ：1 f r e q u e n c yc o v e r a g e ( 2 - 6g h z ) ，a n df o rv s w r 1 5 ：1a r e ( 3 3 - 3 8g h z ) a n d ( 5 1 - 5 8 g h z ) r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , s o m ec o n c l u s i o na r eg i v e nt op e o p l ew h ow a n tt od os o m ef u r t h e rw o r k k e y w o r d s ：t a p e r e ds l o t - l i n ea n t e n n a , r a d i a t i o np a t t e r ns y n t h e s i s , b a s e s t a t i o na n t e n n af o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，b a s e - s t a t i o na n t e n n af o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n h 东南大学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，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：廛趣歪日期：矗2 2 ：乏。丛 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、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、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 引言 引言 自从赫兹为了证实电磁波的存在而设计出最原始的天线以来，无线电技术在社会生活中 的重要性与日俱增，所采用的天线种类也层出不穷，大到直径数公里的射电望远镜、小至行 人手持的移动电话，远及上亿公里外的“勇气号”火星探测器、近则塞入耳廓的无线蓝牙耳 机，天线无处不在地发出各种各样信号联系着你我他。天线是通信中不可或缺的组成部分， 它辐射出载有信号的电磁波，通过另一端的天线接收、恢复信号以实现通信的目的。不同的 通信系统对天线性能的要求各异，在雷达、卫星通信以及太空探测等应用领域，要求天线具 有高定向性以实现信号的远距离发射或接收，而在移动通信无线广播等应用领域，却希望天 线全方为地辐射以覆盖特定的服务范围。 平面印刷天线具有印刷电路工艺的全部优点，体积小、剖面低、批量制造、易与结构共 形、适合与电路集成，并能有效地避免由焊接工艺带来的无源交调困扰，因而得到广泛的应 用，并将成为未来移动通信等系统中的主流结构。然而，目前用于移动通信基站设备中的印 数天线限于振子或贴片等谐振结构。另一类基于行波结构的渐变槽线天线( t a p e r e ds l o t - l i n e a n t e n n a , t s a ) 具有端射式的辐射特性，它不仅沿袭了平面印刷天线的上述优点，还有其独 特优势：宽频带、单一馈电端就可实现较高的增益、线极化纯度高、以及b 面和犀面辐射 方向性图有近似相同的半功率波束宽度等。通常，渐变槽线天线被用于各种无线电测量系统 中，用来探测宽频带的电磁波信号，或是作为阵列单元应用于波束扫描的超宽频带相控阵中。 随着移动通信事业在我国的迅猛发展，移动电话越来越多地为人们的工作和生活提供着 方便和快捷，而基站天线如同整个移动通信系统的触角，在通信过程中起着取足轻重的作用。 根据应用场合的不同，基站也需要选择不同类型的天线。根据水平面方向性图可分为定向天 线和全向天线，根据垂直面方向性图可分为简单天线和赋形天线，根据调整下倾角的方式可 分为机械调整天线与电调天线等。当前，一般基台天线的方向性图赋形技术是将天线单元组 阵，并对各单元施加不等辐度和或不同相位的馈电，通过调整方向性图的阵因子来实现期 望的阵列方向性图。这种赋形技术需要分别设计天线的单元与阵列，以及结构复杂的馈线网 络。另一方面，传统基台天线由频带较窄的偶极子单元组阵，只有约1 0 的工作频带。 本论文的研究则另辟蹊径，采用与传统基台天线赋形技术完全不同的方案，通过改变传 统渐变槽线天线的上下槽线边缘的线形，结合加开扼流槽、加置金属反射背板、于槽线内加 金属栅条等结构，实现了移动通信中对基台天线的铅垂面方向性图赋形要求，包括上副瓣的 抑制、下零点的填充，以及主向按需适度下倾、提高功率覆盖效率等。该方案提供了单一结 构无需组阵、单端1 2 1 馈电无需馈线网络的赋形基台天线。同时，非对称渐变槽线天线沿袭对 称渐变槽线天线的优点，达到约2 0 的宽频带特性，适合移动通信应用。相比于传统基站 天线的偶极子单元，非对称渐变槽线天线采用印刷结构，制作简单，利于天线的批量生产， 其方案的可行性通过电磁仿真软件c s t2 0 0 6 bm i c r o w a v eo f f i c e 及实际样品测试得到了证 实。 论文共分六章。第一章“渐变槽线天线”，介绍了传统t s a 结构的辐射机理、性能特点、分 析方法，及其基本类型和应用领域。第二章“无线网络及移动通信中的基站天线”，概括了 现代通信领域中基站天线的分类及常用技术。第三章“用于移动通信中非对称渐变槽线天 线的波束赋形”，具体介绍了非对称渐变槽线天线的结构，设计思想，并且给出了详细的软 件仿真和实测结果。第四章“用于无线网络通信中的金属栅条加载天线研究”，是在第三章 单定向天线的基础上，设计了一种金属加载的非对称渐变槽线天线，其可实现主向均匀下倾， i i l 东南大学硕士学位论文 增益增加( 1 2 ) d b i ，其可行性已被实验结果所证实。第五章“总结与展望”，讨论本研究成 果，并展望后续的研究工作可能的研究方向。 i v 东南 学项学位论文 第一章渐变槽线天线 渐变槽线天线( t a p e r e ds l o t l i n e a n t e n n a ，简称t s a ) ，作为一种端射式行波天线， 结构简单、低剖面、重量轻、易于批量印刷制造，并且因其具有较宽的频带和较高的增 益而得到广泛的关注和应用。了解渐变槽线天线的辐射机理及性能，有助于为了将该类 天线成用于不同的领域而有针对性地设计。本章综述t s a 的辐射机理、基本娄型、性 能特点、分析方法、馈电方式、应用领域、以及本文工作的内容和贡献。 i t s a 结构的辐射机理 渐变槽线天线，某些文献中也称为渐变【i r | l i ( t a p e r e d n o t c h ) 天线、扩展式缝隙 ( f l a r e d s l o t ) 天线自1 9 7 4 年l e w i s l 提出其雏形1 1 1 至今，如图1 1 所示，已有3 0 多 年的历史。通常，t s a 的制作是将介质基片表面的金属涂层经蚀刻而成，如图12 所示。 其结构町按不同的功能划分为两段：始端槽缝等宽度既的导被区，彤成口径宽度 的缝槽缝终端，以及缝宽峨渐变( w a ) 的辐射区。 目l - 1l 提m 的渐变槽线天线雏形 幽l _ 2 渐变槽线的站构豕意图 目i - 3 所示几种接不同彤状渐变的槽线天线：指数形渐变槽线天线( 又称v i v a l d l 天线，v t s a ) 、直线形渐变槽线天线( l t s a ) 、常数宽度槽线天线( c w s a ) 等。它们的辐 射机理不同于仅由横向端面上口径场辐射的波导喇叭天线，而由沿纵向渐娈金属面( 主 要是槽缝边缘) 上的行波电流所致辐射；返种辐射机理与标准t e m 模喇叭天线娄似”1 、 也与介质杆天线相仿，如图】一3 所示。其辐射方向性图示于图14 。 u c l _ l e e l r l ar o oa n t m 图1 3 渐变槽线天线与渡导喇n 的等m i 意图 图l4 几种典型的渐变槽线无线辐射方向性图 当t s a 工作十匹配状态( 渐变段足够长) 时，对于槽宽远小于半个工作波长区段， 电磁能量被束缚在槽缝内传输而不能向空间辐射；随着电磁能量沿渐变段不断增强的辐 射而趋于殆尽，存在有效的辐射区段。由于辐射能力取决于槽宽与波长之比，该辐射区 段的位置和长度将随频率而变。于是天线工作频带低频端的取决于渐变段的长度和终 第一章渐变槽线天线 端的口径宽度：天线工作频带的高频端则受槽线最窄处宽度的限制。t s a 在原理上具有 很宽的工作频带、且波束宽度在频带内的变化不大。 y o o nij 提出的含有特定阻带的超宽频带槽线天线1 ”论证了天线的上述辐射机理。 在圈】- 5 所示的天线结构中通过在普通的v i v a l d i 渐变槽线天线上对称地割有两个长 度为某一频率的四分之一长度阻带波长的缝，使天线在原有的( 2 9 1 10 9 ) g h z ( v s w r l ，可以固定 l 而减小2 或固定厶而增大。，主向的下倾效果相同。但增大会增大天线的体积， 且提高定向性而使主瓣变窄因此只考察同定1 而减小：的情况，取l 2 = 6 0 0 m m 。 ( 1 ) l 2 的影响 图3 - 3 为岛对天线方向性图的影响，表3 - 1 为取不同2 值时的性能比较。随着如 的减小、即曲边2 长度的缩短， 面方向性图主向下倾。如为2 5 0 m m 、3 0 0 m m 、3 5 0 m m 时对应的下倾角分别为5 。主向下倾的同时其下方零点及第一下旁瓣的辐值均有显 著提高，且后瓣减小，如此有利十天线的大部分辐射功率覆盖前下方服务区域，此点可 从r 值随l 2 减小而增大的规律得以证实。 幽3 _ 3 & 对争面方向性圈的影响( ，= l _ 6g 【z ) 帆= 1 7 5 矾l - 6 0 0 帆胆1 7 5 帖 月= 月= b 。= n o i ) 一烈震 ： w l 铡 韩m 啪 图3 - 4 总对手面方向性圈的影响( ，1e f , l l z ) ( a ( - i ? 5 呱l = 6 0 0r a m , 厶= 3 0 0 咖式 届2 = n0 i ) 丧3 - 1 方向性图参数随6 的变化 1 9 第= 章非对稚的波柬赋形t s a 的移动通信麻用 2 ( r a m ) 3 5 0 3 0 02 5 0 f 侧第一旁瓣( d b 、 巧352- 4 4 f 侧第一零点( db 1 - 1 281 871 27 前后比似b 1 1 7 b 面土向f 倾角( o ) 5 5 1 5 8 7 6 42 ( 2 ) 岛的影响 在已减小2 实现丰向下倾的基础上，考察吼变化对天线辐射方向性图的影响示 于幽3 4 。取2 = 3 0 0 m m 表3 - 2 为不同飓值时的性能比较。随着岛增加，县面方向性 目下倾角增加，取胁等于1 5i f t m 、2 5n l m 、3 5m t n 耐的下倾角都为5 。并且下方第一、 第二零点与第一、第二副瓣电平随下倾角增加而增大，定向性值略微降低。另一方面， 在改善下半空问方向性图的同时，上半空间的副瓣却显著增大；而且从图3 4 中发现， 岛的增大也增加了肛面方向性图的副舶电平还使前后比恶化 表3 吨方向性圈参敷随m 的变化 肚( r a m ) 1 52 53 5 下侧第一旁瓣( d b ) - 55 25 55 1 2 下侧第一零点( d b ) 85 678 473 6 前后比( d b )- 1 5 1 21 s 】21 5 1 2 b 面主向下倾角( a ) 55 5 6 45 6 45 6 45 ( 3 ) r i 的影响 图3 - 5 r i 对b 面方向性幽的蟛响f f ；l g h z )陶3 r 2 对嘣方向性圈的影响( f2 l 6 g h z ) m i = 1 7 5m ml i - ( 0r a mh 2 = 1 7 5m m ，( h l = 1 7 5 m ml i = 0m m h 2 ，1 7 5m , 2 - 3 0 0r a m , r i = 0 0 0 5 ) l 2 = - 3 0 0 r l q o t ) 凹3 - 5 为r l 对天线辐射方向性瞄的影响，袭3 - 5 为不同r l 值时辐射性能的比较。r l 的增大几乎不影响主向的下倾角度和下副瓣的大小，且使下侧第一零点填充效果变好下半空 问方向性图更加平滑；但同时使上侧副瓣以及零点电平增大。 东南大学硕士学位论文 表3 - 3 方向性图参数随届的变化 r l 0 0 50 0 10 0 0 5 下侧第一旁瓣( d b )6 9 6 5 2 下侧第一零点( d b ) 9 46 5 上侧第一旁瓣( d b ) 1 6 91 41 2 4 上侧第一零点( d b )2 5 81 81 4 9 前后比( d b )1 3 21 31 2 5 b 面主向下倾角( 。) 555 叩 5 8 7 5 8 9 5 8 o ( 4 ) r 2 的影响 图3 - 6 为岛对天线辐射方向性图的影响，表3 4 为不同是值时辐射性能的比较。 随着飓由0 0 2 依次增加到0 1 ，b 面的主向下倾角近似呈线性地从5 0 缓慢增加到6 。 是对下方第一零点与第一旁瓣电平的影响不大，而对于下方其他零点有所补充。 、表3 - 4 方向性图参数随尼的变化 飓 0 0 2o 0 60 1 下侧第一旁瓣( d b ) 7 7 1。7 2 下侧第一零点( d b ) 一9 49 69 6 前后比( d b )1 3 3 1 3 2 1 2 7 b 面主向下倾角( 。) 556 刁 5 8 7 5 8 7 5 8 7 通过研究槽线两条曲边的参数对天线辐射方向性图产生的影响，可得以下结论：调 整三2 可有效控制下倾角，且减小三2 也可改善b 面方向性图的其他辐射性能，因此天线 所需下倾角可主要通过减小三2 来实现。 调整儡也可改变辐射下倾角，但增大飓会对县面方向性图的其他辐射性能产生不 良影响，同时增加了厚面方向性图的副瓣与后瓣电平；并且增加岛会增大天线尺寸， 因此原则上不采取增大岛的方式来调节天线的赋形设计。 马的变化不影响天线主向的下倾角度，取较大值时可减小b 面方向性图下半空间 的零点深度而趋向平滑。另一方面，由于后续段落中将采用抗流结构以进一步减小天线 的上半空间辐射，而较大的尺。可增加接地板上半部分面积以提高抗流效果。因此，在 本章中取较大的尺1 值( 0 0 0 5 r l 0 0 5 ) 。 将飓作为下倾角的微调参数，以改善其他方向的辐射性能。 4 背衬接地反射板 为减少天线的后向辐射，及方便天线的机械装配，采用在天线后面加一个后置金属 反射板，即从图3 2 到图3 7 所示结构的变化。通过仿真可证明背衬接地反射板的确能 减少后向辐射，最大可改善一3 5 d b ，图3 7 给出了2 4 g h z 时天线加与不加后置反射板 时的b 面方向性图： 2 1 第= 章非对镕的波束嗽形t s a 的移动通信应用 i 一 书j i 卜锄 叩矿| i 该天线结构的s 频响如图3 9 所示，并不理想。主要原因是四之分一阻抗变换匹 配段属于单频点窄带匹配，削弱了天线辐射部分所具的宽频带性。可这种馈电方法简单 易实现，可改变天线馈电结构的细节。如将馈电端的束端改成扇形结构( 图3 - 1 0 ) ，改 变了电流分布( 图3 - 1 1 ) 、从而改普回波损失频响( 图3 - 1 2 ) ：而并没影响到方向性图。 东南大学硬士学位论文 f r e q u e n c y ( g h 曲 图3 0 非对称板式t s a 的回被损失 一一 t 螂q 圈3 一1 0 天线馈电结构改变图3 - 1 l 扇形末端馈电的电瀛分布 s 十蛐岍m n u m d b 一1 、 晤i l ， | r ，一 衅芈 圈3 1 2 扇形末端馈电非对称板式t s a 的回波损失 仿真得到的正面方向性图( 图3 1 3 左列) 具有基本的赋形效果；犀面方向性图( 图3 1 3 右列) 呈对称形状。从图3 一1 2 的电流分布可知，沿天线上半片外边缘的电流分布仍然 很强，造成较强的上半空间辐射，需要采取裁割或开扼流缝的措施进一步改进。 m【p一【一og，_蛊 第三章非对称的波束赋形t s a 的移动通信应用 6 优选仿真结构 优选方案一的结构： f n h 了，# 漆：，- 弘厂一一鬻 博。詹蠲 p 。kj ， 、斟一影 _ 、j 一。 产0 8 0 h z 删方向性田 ( b 】户1 6 g h z e w 孵 。澎 电。! t v 。弋。乍f 形4 、j 一 7 研j 穴，- j t4 鞠 y 、针_ 毫膏 - 糕二_ - _ 卜_ 。锵学 弋i 鼍” xi 一ou 李一r 第! 日1 f 对称的波柬赋搏t s a 的移自通信应用 对移动通信三个频段的正面和似面方向性目的仿真结果示于目3 2 3 。可见，改进 后的非对称t s a 天线确有乖汽面赋形效果( 主向下倾、抑制上副瓣、下覆盖无零点) ， 并有对称的水平面方向性图：不足的是低频段的后向辐射较大有待后续研究改进。 f - - 25 g h z e - 面， i 一面 厂1 26 g h z e - 面m _ 面 图3 2 3 各频率点的e 面小面方向性图 优选方案二仿真结论： 以上仿真研究证实了多频段t s a 在移动通信基站中应用的可 亍性，尤其适用于较 小服务范围的信号增强补站，其制作简易、成本低蘼；缺点则是增益不高、低频端o8 g l - l z 至i g h z 的定向性不强，虽采用扼流措施和馈电末端扇形结构，改进尚未到位。 参考文献 1s h e n w 曲9 9 l x ，“s t u d y o n a 口m m e t r l c t a p e r e ds l o t l i a e a n l e n n a ”，p 眦o f i n tc 埘f o n u l t 删i d c b a n d a n d u l t r a s h * t 岫h s i g n a l s , ( j 8 - 2 2 ，s 2 0 0 6 ，s e v 1 ，u l w a i n “p p l 5 0 1 ” 1 2 】2 m w e l s a l l a l 锄d d hs c h k “p c t c gs t u a yo f as i n g l e i l a t e de l m e r d i 】1 f i n h a r r a y s o fb a l e e da n t i 口c d a lv j v a l d i n 咖a s ”j 艘口，耐a tt h ep r o c e e d j n g 制船a p p l i c a t l o ws y m p l u m a l l e r t o n p 砒胁州q | 1 5 - 1 7 * p ”m k 啦0 0 4 【3 ip 啪掣r a e h a r y a s t u d e n tm e m b e r , l e e b h se k s t r o m 。s t c v 蜘s g e a r h a r t , s t e l l a nj 曲s s o n ， m b e r , i e e e “t a p e r e ds l o t l i n ca n m a t8 0 2g h f i e e em c m o t h e o r ya n d n 曲n i q u e $ ，v o l ，4 i , n o , j 0 ，o c t o b e r l 9 9 3 爝一姆一随 陵。i国名趁筒 随一蓼匦隧一魉一匦一匦煎。罡。l霪。等煎 东南大学硕上学位论文 【4 】 r i c h a r dq l e e a n dr a i n e en s i m o n sn a s al e w i sr e s e a r c hc e n t e rn y m ag r o u p ，“e f f e c to f c u r v a t u r eo nt a p e r e ds l o ta n t e n n a s , u sg o v e r n m e n tw e r kn o tp r o t e c t e db yu s c o p y r i g h t 1 8 8 【5 】 w s h e na n dw x z h a n g ，“p a t t e r ns y n t h e s i so fn o n - s y m m e t r i ct a p e r e ds i o t l i n ea n t e n n a , e l e c t r o n i c s l e t t e r s , 13 “a p r i l2 0 0 6v 0 1 4 2n o 8 【6 】 r a m a k r i s h n aj a n a s w a m ya n dd a n i e lh s c h a u b e r t ，s e n i o rm e m b e r , i e e e “a n a l y s i so ft h et a p e r e ds l o t a n t e n n a , i e e et r a s a e t i o n so na n t e n n a sa n da n t e n n a sa n d p r o p a g a t i o n , v o l ，a p - 3 5 ，n o ，9 ，s e p t e m b e r19 8 7 忉r j a n a s w a r n y , s t u d e n tm e m b e r ，i e e e ，a n dd h s c h a u b e r t s e n i o rm e m b e r , i e e e “c h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c eo faw i d es l o t l i n eo nl o w - p e r m i t t i v i t ys u b s 仃a t e s ，, i e e et r a s a c t i o n so n a n t e n n a sa n da n t e n n a s a n d p r o p a g a f f o n ，v o l ，m t l ：3 4 ，n o 8 ，a u g u s t19 8 6 【8 1 8 r o l fh j u d a s e h k ea n dm i g u e la p a l a c i o s “m i l i m e t e r - w a v ec o r r u g a t e dt a p e r e d s l o ta n t e n n a s ，2 0 0 41 e e e m t t - s d i g e s t 【9 】9 h e n r i kh o i t e r ，t a n h u a tc h i o ，m e n b e r , i e e ea n dd a n i e lh s c h a u b e r t , f e l l o w , i e e e “e x p e r i m e n t a lr e s u l t s o f14 4 一e l e m e n td u a l p o l a r i z e de n d f i r et a p e r e d s l o tp h a s e da r r a y s ，i e e et r a s a c t i o n so na n t e n n a sa n d a n t e n n a sa n d p r o p a g a t i o n ，v o l , 4 8 ，n o ，li ，n o v e m b e r2 0 0 0 【1 0 1m a r cc g r e e n b e r g , m e m b e r , l e e e ，k a t h l e e nl v i r g a , s e n i o rm e m b e r ，i e e e ，a n dc y n t h i al h a m m o n d ，s t u d e n t m e m b e r , i e e e ，”p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed u a le x p o n e n t i a l l yt a p e r e ds l o ta n t e n n a ( d e t s a ) f o r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa p p l i c a t i o n s ” 1 1 刘震国，章文勋，“一种新型正交双极化渐变槽线天线”，微波学报，第2 4 卷第一期，v o i 2 4 n o 1 东南大学硕士学位论文 第四章金属栅条加载的非对称t s a 的无线网络应用 第三章已讨论了传统的对称t s a 到赋形的非对称t s a 的演变和改进，使之适用于 移动通信的基站。为了将，本章将在非对称t s a 槽隙内加载金属栅条，将其推广应用 于无线网络的w i m a x 基站。 1w i m a x 无线通信的发展现状 w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球可互操作的微波接 入) 无线网络具有覆盖范围广、传输速率高、用户容量大、组网简单、经济灵活等优点。 它非常适合：组建支持城域范围内具备漫游接入能力的综合业务网络；支持运营商特别 是新兴的宽带运营商快速便捷地提供各种语音、数据和多媒体业务，以满足各类企业和 家庭用户对高速高质信息传送的需求。在某些欧洲国家，w i m a x 通信系统的发展运用 已相当成熟。在我国虽还处于起步阶段，于北京2 0 0 8 奥运会期间曾采用w i m a x 网络 试运系统，为各国的来客提供了方便的信息互联，w i m a x 的未来发展前景美好。目前， w i m a x 的2 4g h z 、3 5g h z 、5 8g h z 、2 6g h z 四个工作频段中以( 3 3 3 8 ) g h z 和( 5 1 - 5 8 ) g h z 两个频段应用最广。鉴于市面上针对w i m a x 基站建设的方案较少，暂 且借鉴移动通信系统中的基站建设标准，对w i m a x 系统中基站天线的性能提出如下垂 直面内的波瓣图要求：实现主向适度下倾，抑制上半空间的辐射、下半空间为均匀覆盖 的赋形波束。 2w i m a x 基站天线的赋形设计 第三章中已经证实了非对称t s a 在不附加任何部件的前提下，通过改变介质板上 敷铜层的形状，可改变辐射方向性图、实现波束赋形的效果。本章是在此基础上的进一 步发展，使之适用于w i m a x 无线网络。上一章中，为节省成本曾使用金属一体化设计， 但随之而来的有：天线体积增大、要求天线罩有较高的抗风性能、非接触性机械部件的 固定等问题。在本章将用蔗价的f r 4 介质敷铜板为基片材料设计天线。 在上一章中研制的适用于移动通信基站的非对称t s a 【l 】；其制作工艺不易控制、且 天线向服务区辐射的覆盖效率还不够高。本章将进一步改变非对称渐变曲边的形状、采 用双层背板的扼流结构、并加载了起引向作用的金属栅条，不仅改善了天线的垂直面波 瓣图、而且可以7 5 的频带工作于3 5g h z 和5 8g h z 的双频段。给出了金属栅条加载 的非对称t s a 的仿真设计及样品加工测试结果，证实了这种新型的非对称t s a 适用于 m i m a x 基站。 2 1 参数研究 上一章中已经分析过t s a 天线的主要性能，本章将直接引用而不予重复已有的结 论，而将重点分析：基片介电常数对天线的回波损失、天线方向性图的影响；以及新出 现的栅条参量对天线性能的影响。 首先仿真了基片介电常数g ，= ( 1 4 ，2 7 ，4 0 ，5 4 ) 时天线的回波损失频响曲线，示于图 4 1 ，其b 佴面方向性图则分列于图舢2 和图4 3 ，由图可见，取不同介电常数时对的材料 对天线的回波损失影响较大，主要原因是微带线的阻抗随介电常数的变化而、异，从而造成 失配。如若所用材料的介电常数不均匀，也会影响到天线阻抗频带的宽度。然而，介质板所 用材料对天线的辐射方向性图影响不大，因为端射式的行波天线的每- - , b 段上仅有非常少量 的电磁能穿过介质层辐射。 3 2 镕常* 栅祭m 哉的1 | 对称1 5 a 的无线刚络应用 jj 。1 1 i ； f m q u e n c y f 0 h n 圈4 - 1t s a 取币同舟j b 常数时的p 】渡损失曲线 拣 焉1 一面了_ w 目4 - 2t s a 小h 介电常数时的 面方向性图 2 。015 0 05 0 5 口i t i e t “d e o 唧 目4 - 3t s a b 币同介电常数时的批面方向性图 由图4 也和图4 - 3 中可见，介电常数对天线正面，弘面方向性图的影响并非呈线性 律，这也说明当样品加工所用的材料不均匀会导致测试误差。 2 2 抗流结构 图4 4 为对称渐变槽线天线( l i = c 2 = 8 0 m m ，且喁= 2 1m i l l ，r i = r 2 = 00 8 ，致尸2 5 3 ( 9 2 u 1 日o k 一 一 一 东南 学顼学位论文 m m 瑚电流幅度分布示意图，由图可见从微带馈线耦台到天线接地板的电流不仅分布 在渐变槽线的曲边附近，还向接地板的两侧扩散。接地板边缘处的电流会导致天线向两 侧( 即却) 方向的辐射而增大副瓣。为此需采取抑制侧边电流的措施，以求降低副瓣。 肼 田4 - 4 对称t s a 的电流幅度分布圈图4 具有沟缝边界的t s 当t s a 工作在较低频段时，其物理尺寸属于电小尺寸范畴。文献8 采用在接地板两 侧开多条缝隙形成的沟缝边缘( c o r r u g a t e d e d g e s ) ( 图4 - 5 ) ，避免在电小尺寸时渐变槽 线天线的方向性图趋于恶化。仿真与实验都证实了边缘沟缝确能抑制边缘电流、有效地 减小边缘处的电场强度，从而使减小天线尺寸时不至于增大f 面方向性圈的主瓣宽度。 当渐变槽线天线工作于毫米波段时，要求天线所附着的介质基片厚度f 非常薄 ( 00 0 5 1 o = i 、，一1 】f ， 1 0 0 3 ) “以至难阻实施；但若采用较厚基片则会 导致天线b 面方向性图的主瓣分裂，形成很大的副瓣。文献9 中通过接地板上的多条横 向缝隙与介质板后的导体条带所构成的光子带隙结构( 图4 - 6 ) 截断接地板表面上的横向 电流，使导面方向性图的副瓣消失、前后比提高。 ( a ) 天线结构示意图( b ) 采用抗流结构前后 面方向性目的比较 图4 - 6 具光子带隙结构的渐变槽线天线 应用上一章的参数研究，糖们可构成一个基本的非对称t s a 天线：为了减小上半 空间的辐射能量损失，取凰，小于矗j ，使天线的辐射倾向前方的下半空间；外形尺寸 为2 0 55 x 1 2 4 m m ，材料取e ，= 44 厚15 m m 的f r 4 介质板；阻抗频带为( 3 “) g h z ， 如图4 - 7 所示( 具体尺寸将同最后加工成样品的天线尺寸) 。 第四章金属噩条加拽的非对称t s a 的无线月络应用 ( 正祝图 l 刭 ( 0 t s a 的电漉分布( d ) 无线的s l 豳4 7 非对称t s a 基率结犄图及s 1 1 曲线 囊； 圆 - - 3 5 g h z - 闫8 g t t z卢5 i g h z 国国- 目s g h z 产58 g h z 圈4 - 8 非对称t s a 的正面，球面方向性盥 从圈4 - 8 所示的b 面悼面仿真方向性图得知，昌面初显赋形方向性幽的效果基 本实现了上半空间辐射较弱、主向下倾；然而后向辐射还不令人满意( 最小前后比为1 4 d b ) 、上副瓣较宽、高频段的辐射方向性图不太理想、增益较低( 在1 0 怕附近