（电子科学与技术专业论文）小型化及双频天线的分析与设计.pdf

申请上海交通大学博士学位论文 端口并且具有分集的功能 天线的两个端口采用微带线进行直接馈电 天线的接 地部分进行了优化设计用来降低天线的两个端口之间的耦合度 通过测试得到的 结果可以看到 在天线工作的两个频带内 天线两个端口间的耦合均小于一 2 5 d b 立体m 形单极天线是在平面m 形单极天线的基础上提出来的 该天线采用 c p w 馈电 m 形的结构使得天线有两条电流路径 两条电流路径形成了两个靠 近的谐振模式 通过这两个谐振模式的耦合使得天线的带宽展宽 相对于平面m 形单极天线而言 立体m 形单极天线占用更少的面积 关键词 微带天线 单极天线 气球升空天线 矩量法 双频天线 毋 i 申请上海交通大学博士学位论文 a b s t r a c t a n t e 衄a a so n eo ft l l ei m p o r t a i l tc o m p o n e n t si n 谢r e l e s sc o m m u i l i c a t i o n s i t s p e r f o m l a n c ed e t e 如血n a t e st h eq u a l i t yo fc o m 瑚肌i c a t i o n r a p i dd e v e l o p m e n to ft l l e w i r e l e s sc o i 锄u i l i c a t i o n t e c l l i l o l o g i e s r a i s e s 伊e a t e r d e m a i l do fa n t e l l l l a 1 1 1 e m i n i a t 血z a t i o na n dd u a l n i e q u e n c yo p e r a t i o no ft 1 1 e 锄t e i m aa t n 佻tm o r ea i l dm o r e r e s e a r c hi n t e r e s ti nr e c e n ty e a r s b a s i c 研n c i p l e sa r i dc h a r a c t e r i s t i c so ft l l em i c r o s t r i pa i l t e r u l aa i l dm em o n o p o l e a n t e i u l aa r ef i r s t l yi n 订o d u c e di nt l l i st 1 1 e s i s t h e nt 1 1 e 舶q u e n t l yu s e dn u m e r i c a l m e t h o d si nc o m p u t a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c sa r cs u m m 撕z e d t h i st h e s i sf o c u s e so na i l a l y s i so fm eb a l l o o na n t e m l au s i n gm e t h o do f m o m e n t m o m i m p r o v e m e n to ft l l ed u a l 舶q u e n c yp l a n a ri n v e r t e d l p i l a n t e n n a d e s i g i l so ft l l ec s h 印e dd u a l 行e q u e n c y a n t e l l i l aa n ds o l i dm s h 印e dm o n o p o l e a 1 1 t e n f l a w h i c ha r eu s e di nt 1 1 e i r e l e s sl o c a la r e an e t o r k w l a n c u l l r e n t l ya n t e n n a su s e di n s h o r tw a v e 谢r e l e s sc o 舢 n u i l i c a t i o ns y s t e m sa u r e m a i n l ym o n o p o l e a n t e n n a s b e c a u s e廿l e w a v e l e n g t l l o ft l l es h o r tw a v ei s c o m p a r a t i v e i yl o n g 也em o n o p o l ea 1 1 t e 皿a sa r e w i t l ll a 唱ed i m e n s i o n i no r d e rt om e e t t h ed e m a n do fc o m p a c 协e s sa n dc o n f o 瑚a b i l i t rt 0t 1 1 es h o r tw a v e 埘r e l e s s c o m m u l l i c a t i o np l a t f o m t h eb a l l o o na n t e 肌ai sp r o p o s e d t h eb a l l o o na u l t e m l ai s m a i n l yc o m p o s e do fas p e c i a l l ym a n u f a c n l r e db a l l o o na j l de q u i p m e n t s w h i c hc a n c h a 唱et l l eb a l l o o nw i t l li n e r tg a so rr e l e a s ei n e r tg a sf r o mm eb a l l o o n t h eo r i g i n a l p o s t 1 i k em o n o p o l ei sr e p l a c e db ym e t a lc o n d u c t i n gs t r i pp r i n t e do n t l l ei n n e rs u r f a c e o ft h eb a l l o o n s p e c i a l l ym a n u f a c t u r e db a l l o o ni sc o 衄e c t e dt ot l l ee q u i p m e n t sb ya s o rp i p e w h e nt 1 1 ea 1 1 t e 皿ai si nu s e i n e ng a si sf i l l e di n t ot l l ea n t e 衄aa i l dv i c ev e r s a m e t h o do fm o m e n t m o m i sac l a s s i c a lm e t h o du s e dt oa 1 1 a i y z el i n e a ra n t e 衄a i t r e l a t e st l l ei 肌e rp r o b l e mw i mt l l eo u t e rp r o b l e mo fa na n t e 皿at l l r o u g hc u r r e n t d i s t r i b u t i o n w h e nm o mi su s e dt oa n a l y z et 1 1 eb a l l o o na 1 1 t e r u l a f i r s t l yt h ec u r r e n t d i s t r i b u t i o n so fm em e t a l c o n d u c t i n gs t r i p s a r es o l v e d t l l e nt 1 1 e i m p e d a n c e c h a r a c t e r i s t i c sa i l dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sc a l lb ec a l c u l a t e d 1 1 i 申请上海交通大学博士学位论文 d u a l 一舶q u e n c yp l 趾a ri n v e n e d l p i l 硼e 蛐am a i n l yc o l l s i s t so ft w op a n s t h e h o r i z o n t a lp o n i o na 1 1 dm ev e n i c a lp o n o n c h a i l g i n gt h es h a p ea 1 1 ds i z eo fa n yp 硪 c a i lc h a i l g et 1 1 er e s o n 鲥n g 舒e q u e n c i e s 锄dt h e i r 舶q u e n c yr a t i o t h en e w l yp r o p o s e d d u a l 一6 e q u e n c yp l a i l a ri n v e n e d l a n t e l l i l ac o 脯o l sm er e s o n a t i n gn e q u e n c i e sa 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并对电磁场所遵循的普遍规律进行严格的数学描述 创立了麦克斯韦方程组 m a x w e l l se q u a t i o n s 预言了电磁波的存在 1 8 8 8 年赫兹 德国物理学家 将他的实验结果公布于世 使整个科技界为之震动 赫兹实验不仅证明了电磁波 的存在 同时也导致了无线通信的产生 1 9 0 1 年马可尼 意大利科学家 试验越洋通信成功 6 开创了无线电技术 的新纪元 天线作为实现无线电应用的关键设备 顺应着通信 广播 雷达 制 导等无线电应用系统在不同阶段的需要而不断发展 形式多样 性能各异 形成 了庞大的天线家族 并凸现出 线天线 面天线 阵列天线 三条平行的发 展轨迹 4 天线的最初功能就是一个电磁波能量转换器 将导波能量转换成无线电波能 量或者将无线电波能量转换成导波能量 随着现代科学技术的发展 天线学科与 其它学科之间的交叉越来越广泛 天线学科与其它学科之间的渗透也越来越深 入 纵观天线的发展历史 昔今对比 天线的功能已从单纯的电磁波能量转换器 发展成兼具信号处理功能的系统 天线的设计已从用机械结构来实现其电器性能 发展为机电一体化设计 天线的制造已从常规的机械加工发展成印刷和集成工艺 申请上海交通大学博士学位论文 4 进入二十一世纪 现代通信朝着固定和移动会聚 有线与无线结合的方向发 展 无线通信作为信息社会的重要技术手段正日益显示出其重要性 天线是无线 通信系统中不可或缺的模块 天线性能的好坏直接关系到整个系统的通信质量 自上个世纪九十年代以来 无线通信尤其是地面移动通信系统获得了蓬勃的发 展 无线通信的发展全面地推动着天线技术地发展 在地面移动通信系统中 无 论是固定基站的天线设计还是移动手机的天线设计都面临着严峻的挑战 其中小 型化和宽频带是这类天线设计当中的焦点 在解决上述矛盾的过程中 以微带天 线为主的平面天线逐渐得到人们的广泛关注 获得了全方位的开发 平面天线的 研究主要集中在小型化和宽频带两个方向 同时还有双 多 频段 双极化 圆 极化 分集等方向 本论文的工作主要集中在小型化和双 多 频段这两个方面 随着地面移动通信技术的飞速发展 移动通信终端设备的体积越来越小 因 此天线的小型化是一个不可回避的问题 平面天线尤其是微带天线是在移动通信 终端设备中用得比较多的一种天线 其实现小型化的方法主要有 提高介质的介 电常数 采用短路片或短路探针 延长电流路径 7 5 1 小型化比较简单的方 法就是采用高介电常数的介质 式 1 1 是矩形微带贴片天线谐振频率的近似公 式 其中c 代表真空中光速 代表天线的长度 由此公式可以发现对于固定的 谐振频率 厂而言 提高介质的介电常数s 天线的尺寸三必然会缩小 微带贴片 天线的基本谐振模式的场分布会有一电壁 用一金属片代替这一电壁可以去掉微 带贴片的一部分 从而天线可实现小型化 如果将金属片改为探针 天线的尺寸 可以进一步缩小 具体可从式 1 2 得到解释 式 1 2 是微带贴片天线谐振频率的 另 种表达方式 其中三代表金属片或探针的电感 c 代表微带贴片的电容 如 果将金属片改为探针 三变大 c 不变 谐振频率降低 从而达到了进一步小型 化的目的 延长电流路径是天线小型化的又一方法 电流路径延长直接导致了天 线谐振频率的下降 天线频率下降意味着可以实现小型化 目前常用的延长电流 路径的方法有贴片弯折 贴片开槽 贴片加载缝隙等 兰赤 1 1 2 申请上海交通大学博士学位论文 厂2 未瑟 1 2 天线小型化的每一种方法都有局限性 提高介质的介电常数将容易激励起 表面波 使得天线的效率下降 增益降低 同时高的介电常数会使天线的带宽变 窄 采用短路片或短路探针的方法来实现天线的小型化会使得天线的交叉极化恶 化 延长电流路径的方法使得天线的加工比较复杂 有时也会带来交叉极化的问 题 因此 如何平衡天线的小型化与其它指标之间的关系 使天线既满足小型化 的要求又满足其它指标 是目前需要进一步深入研究的问题 同时如何将多种小 型化的方法应用于同一个设计以及开发新的小型化方法也是目前有待深入研究 的问题 为了扩大系统容量或者是实现多模通信 实际的通信系统往往工作在两 多 个频段上 在安装两 多 付天线不合适的情况下 双 多 频天线的使 用就非常重要了 对于地面移动通信系统中常用的微带天线而言 实现双 多 频的方法主要有 模式正交 多贴片和电抗加载 5 2 8 8 模式正交是多用于矩 形贴片中实现双频的简单方法 该方法利用贴片在两个正交方向上不同的尺寸 产生两个正交的模式 刀协 和刀 l 此时 两个频率的比值等于矩形贴片的两 个边长之比 多贴片的结构产生双 多 频的原理主要是运用多个辐射单元 每 个辐射单元上均具有较强的电流分布 在其所对应的频率处谐振 在某一频段工 作时一般只有其中一个贴片起主导作用 通过在一个简单形状的贴片上 引入一 些电抗性的负载 会改变原先贴片上的电流分布 从而使得贴片表现出和原先不 一样的特性 贴片原先的谐振模式得到扰动 从而可以产生双 多 频的效果 电抗加载采用的具体办法有 短截片 凹槽 电容 短路针 缝隙 贴片环等 目前已经有了比较多的双 多 频设计方案 但是在调试过程中由于很多 天线结构参数对各个频段都有较大影响 需要多次反复的调试才能达到设计要 求 在双 多 频设计中 天线的小型化的研究仍然有待深入 尤其在目前的移 动通信终端设备中 要求的是双 多 频段的小型化天线 天线的性能和整机特 性息息相关 双 多 频天线的设计也同样需要考虑整机的特性对天线性能的影 响 所有这些在实际工程中所遇到的问题对天线的科研工作提出了严峻的挑战 同时也给天线的科研工作者提供了课题与方向 申请上海交通大学博士学位论文 1 2 本文研究的目的和创新性成果 本文的研究目的 结合无线通信系统中天线研究的现状 对小型化天线和 双 多 频天线的分析和设计进行一些探索 本文的创新成果主要包含 第一 提出了一种新型的气球升空天线 并利用矩量法 m o m 对其进行 了详细的研究和分析 目前 短波通信系统中用到的天线多是单极天线 由于短 波的波长较长 因此单极天线的尺寸很大 为了适应天线小型化以及天线与无线 通信平台共形的要求 气球升空天线应运而生 气球升空天线主要由特制气球以 及充放气装置组成 将原来棒状的天线振子改用金属导带来代替 并采用会属涂 层的工艺将金属导带涂于特制气球的内部 特制气球通过软性气管与充放气装置 连接 通过对气球进行充气和放气实现对天线的利用和回收 该天线的详细结构 和具体的分析结果将在本论文的第四章予以介绍 第二 研究了双频平面倒l p i l 天线 对原有的设计进行了优化和改进 提出一种新的双频平面倒l 天线 双频平面倒l 天线主要组成有两部分 水平 部分和垂直部分 通过改变水平或者垂直部分的形状和尺寸可以改变双频平面倒 l 天线的两个谐振频率以及它们的频率比 新提出的平面倒l 天线通过改变天线 的水平部分的形状来控制该双频天线的频率比 采用固定辐射边长度的办法使得 天线的馈线设计更加简单 实验结果表明 该天线在两个谐振频率上都具有较好 的阻抗特性和较好的宽边辐射特性 适合用于双频无线通信 第三 通过采用延长电流路径与多个谐振单元相结合的方法 设计出一付 用于无线局域网 w i a n 的小型化双频平面单极天线 天线主要有两个正交的 c 形单极子组成 因此天线具有两个端口并且具有分集的功能 天线的两个 端口采用微带线进行直接馈电 天线的接地部分采用了特殊的设计用来降低天线 的两个端口之间的耦合度 通过测得的实验结果可以看到 在天线工作的两个频 带内 天线两个端口间的耦合均小于一2 5 d b 第四 在平面m 形单极天线的基础上对其进行了改进 提出了立体m 形单 极天线 该天线采用c p w 馈电 m 形的结构使得天线形成两个靠近的谐振模式 通过这两个谐振模式的耦合使得天线的带宽展宽 相对于平面m 形单极天线而 4 申请上海交通大学博士学位论文 言 立体m 形单极天线占用更少的面积 1 3 本文的内容安排和结构 本文的主要内容是对无线通信系统中小型化天线和双 多 频天线进行分 析和设计 具体的章节安排如下 第一章 对无线通信系统中天线的研究现状进行综述 并对本论文的主要 创新点和结构安排做了介绍 第二章 介绍了微带天线和单极天线的基本理论 在微带天线部分 分析 了微带天线的辐射机理和常见的一些馈电结构 详细介绍了矩形微带天线的传输 线模型和空腔模型 单极天线部分主要介绍了一些计算单极天线特性的基本方 法 第三章 对数值算法进行了综合评述 然后对计算电磁学里面比较经典的 矩量法和时域有限差分法作了介绍和分析 给出了具体的计算步骤和计算中的注 意事项 最后介绍了工程设计时常采用的一些商业软件 第四章 研究了矩量法在分析任意弯曲线天线中的应用 将矩量法用于气 球升空天线的分析 研究了气球升空天线不同设计参数的变化对性能的影响 给 出了关于气球升空天线阻抗特性和辐射特性的曲线和数据 第五章 分析了双 多 频天线的一般特性 总结了实现双 多 频的方 法 并对它们进行了简单的分析 在此基础上 分析了平面倒l 天线 提出了 改进的平面倒l 天线 并对新提出的天线进行了详细的原理分析 测试和讨论 第六章 探讨了一些常用于无线局域网的天线设计实例 总结了一些一般 规律 在前人工作的基础上设计了 c 形单极天线 仔细分析各个设计参数对 天线性能的影响 最后给出该天线的实验测试曲线和数据 在平面m 形单极天 线的基础上提出了立体m 形单极天线 通过实验对所设计的天线进行了分析和 研究 第七章 总结了本论文的研究工作 指出了有待于进一步研究的问题 申请上海交通大学博士学位论文 参考文献 1 黎滨洪 金荣洪 张佩玉 电磁场与波 上海交通大学出版社 2 0 0 2 2 王蔷 李国定 龚克 电磁场理论基础 清华大学出版社 2 0 0 1 3 高建平 张芝贤 电波传播 西北工业大学出版社 2 0 0 2 4 章文勋 世纪之交的天线技术 电波科学学报 2 0 0 0 1 5 1 9 7 1 0 0 5 ajs c h w a b pf i s c h e r m a x e l l h e r t z a l l dg e 咖a nr a d i o w a v eh i s t o p r d c p p 击 2 萨q 厂珐e 妊汜e 1 9 9 8 8 6 7 1 3 1 2 1 3 1 8 6 gcc o r a z z a m a r c o n i sh i s t o p 厂d 卯p 螂旷胁p 上聊 l9 9 8 8 6 7 1 3 0 1 1 3 1 1 7 klw b n g c o m p a c ta 1 1 db r o a d b a l l dm i c m s t r i pa j l t e l m a s 如砌晰纫 勋船 2 0 0 2 8 ah o o m r ap e r r o 帆 a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nm i c r o 州pa n t e 彻a so nv e r y h i 曲p e n l l i t t i v 时c e r 锄i cs u b s t r a t e sa i l dv e 巧s m a l lg r o u n dp l a i l e s z 强 胁 z s 口c f f d n sd 以么聆f p 刀玎口s 日胛d p 唧唧疗d 胛 2 0 0 1 4 9 4 8 3 8 8 4 0 9 dh e b e d i n g m o d e m 1 r e n d si nt 1 1 e d e v e l o p m e n to fs m a ua j l dh a l l d y a n t e r u l a s 尸加c p p 旃粥哼矿砌pi s l 8 牝 ee e 7 卫s2 0 01 1 4 7 5 4 8 0 1o 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e i l l l a 剧e c 抛 z l 甜 p 抛坶 l9 9 7 3 3 6 4 3 3 4 3 4 1 7 ds i n g h p 口z s m a l lh s h 印e da n t e n n a sf o rm m i ca p p l i c a t i o n s z e 2 王e 7 口门s 口c f f o 疗sd 船彳门幻刀门口j 口玎d 脚c 礓留r 幻玎 2 0 0 0 4 8 7 113 4 一l141 1 8 ip 破 rm i 眠 a p e r t w e c o u p l e ds m a l lm i c r o s 呻a n t e 衄a 目p c 加以如 三e 舵坶 1 9 9 6 3 2 1 9 1 7 4 1 1 7 4 2 1 9 aks h a c k e l f o r d p f 口 d e s i g no fs m a l l s i z e w i d e b 肌d 诵d t h m i c r o s t r i p p a t c ha n t e n n a z 巨e e 彳玎f p 订 2 口s 口玎d 脚c 氇讼 f d 泐g n z f z p 2 0 0 3 4 5 1 7 5 8 3 2 0 iz a i d rs t a r 旬 m i n i a t l l r e c i r c u l a rg s mw i r e p a t c ha n t e n n ao ns m a l l g r o u n dp l a n e 上泷c 加以f 甜 口f f p 船 2 0 0 2 38 4 15 3 15 4 21 kml u k 甜口z s m a l lr e c t a n g u l a rp a t c ha n t e n n a 上 p c f 7 切刀f c s 上口f 把m 19 9 8 3 4 2 5 2 3 6 6 2 3 6 7 2 2 hkk a n s m a ud u a ll s h a p e dp r i n t e da n t e n n a 上泷c 加以f 三p f 胞坶 2 0 0 3 3 9 2 3 1 6 3 2 1 6 3 3 2 3 rbw r a t e r h o u s e s m a l lp r i n t e da n t e n n a sw i t hl o wc r o s s p o l a r i z e df i e l d s 日p c r d 以f 傩三p 地船 1 9 9 7 3 3 1 5 1 2 8 0 1 2 8 1 2 4 rc h a i r p f 口 s m a l ld u a lp a t c ha n t e r u l a 眈c 加力池三p p 糟 1 9 9 9 3 5 1 0 7 6 2 7 6 4 2 5 klw b n g jyw u s i n g l e f e e ds m a nc i r c u l a r l yp o l a r i z e ds q u a r em i c r o s t r i p a m t e 衄a e f p c 加以f 四三p 触坶 1 9 9 7 3 3 2 2 18 3 3 1 8 3 4 2 6 hkk a i l dp a v l i c k o v s k i s m a l ld u a lc s l o tp r i n t e da n t e l l n a 倒p c 帕行泐 三e p 坶 2 0 0 3 3 9 7 5 9 3 5 9 4 2 7 jhl u klw o n g s l o tl o a d e dm e a i l d e r e dr e c t a n g u l a rm i c r o s t r i pa n t e 皿a 埘t hc o m p a c td u a l 舭q u e n c yo p e r a t i o n 眈 c 加以泗三p 抛坶 19 9 8 3 4 11 1 0 4 8 1 0 5 0 2 8 klw 6 n g mhc h e n s m a l ls l o tc o u p l e dc i r c u l a r l y p o l 撕z e dm i c r o s t r i p a n t e n n a 衍t hm o d i f i e dc r o s s s l o ta n db e n tt j 1 1 i n g s t u b 日p c 阳力f c s 三p 盯p 苫 1 9 9 8 3 4 1 6 1 5 4 2 1 5 4 3 2 9 klw 6 n g kp g s m 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3 1 0 9 4 4 0 jhl i u kl w o n g c o m p a c td 砌一f k q u e n c yc i r c u l a rm i c r o s t r i pa n t e n l l a i t l l a i lo 骶e tc i r c u l a rs 1 0 t 朋i c m w 口化口棚g p r 据讲死c 办加硇 三e 抛坶 19 9 9 2 2 4 2 5 4 2 5 6 41 klw b n g kpy 觚g c o m p a c td u a l 矗陀q u e n c ym i c r o s t r i pa n t e 姗aw i m ap a i r o f b e n ts l o t s 上泷c 加以f 傩三e f 胞坶 1 9 9 8 3 4 3 2 2 5 2 2 6 r 申请上海交通大学博士学位论文 4 2 jsr 0 w 甜矾 c o m p a c td u a l p o l a r i z e dm i c r 0 嘶pa n t e n n a s 脚舢w 伽p 口胛d p f f c a f 死c l f l n o d k r f e 髂 2 0 0 0 2 7 4 2 8 4 2 8 7 4 3 yxg u o 甜口 c o n l p a c ti n t e m a lm u l t i b 锄da n t e r u l a sf o rm o b i l eh a j l d s e t s 脚e 彳门f p 玎以口s 口玎d 沱舳 l 9 c 硭矽f f d 门 2 0 0 3 2 14 3 14 6 融4 wcl i u wrc h e n c p w f e dc o m p a c tm e a l l d e r e dp a t c ha n t e n n af o r d u a l b 锄do p e r a t i o n e 七c 加以眈三p 抛坶 2 0 0 4 4 0 18 10 9 4 10 9 5 4 5 kpy 彻g klw b n g i n c l i n e s l o t c o u p l e dc o m p a c td u a l 一丘e q u e n c ym i c r o s t r i p a n t e 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