論文題目:微帶天線的小型化多頻段研究
1.論文選題的目的和意義
微帶天線以其體積小,剖面低,易集成,造價低等特性以及良好的性能受到廣泛的關注.隨着移動通信系統業務的不斷增加,通信設備不斷向小型化發展,對夭線體積,集成化及工作頻段的要求也越來越高.在某些通信場合,所用的頻段很低,例如低於1GHz,有時甚至只400-500MHz,此時傳統的半波長微帶天線尺寸偏大.爲此必須採用一定措施進一步減小微帶天線的尺寸.現代移動通信要求天線能具有多頻段(或寬頻帶)工作的能力.設計出實用的小型化,多頻度微帶天線己經成爲一個迫切的要求.研究和設計性能優良的小型化多頻段微帶天線是本論文的主要工作.在必須考慮大小,重量,價格,特性要求,易安裝以及符合氣體動力外觀等因素的高性能飛機,衛星以及全球定位系統,移動通訊和無線通訊等諸多高度發展的應用中都需要具有低剖面,能平貼於任何平面或曲面的外觀特性,易製作,而且易與微波集成電路集成等優點的微帶天線.而微帶天線本質上所具有的高品質因數,窄頻帶,低效率等缺點也大大限制了它們的應用.因此,越來越多的研究投入放在如何改善它們的缺點,充分利用它們的優點,使它們更適合於實際的應用上.
在這些研究中,除了基礎理論方面的討論外,隨着全球通信產業的高度發展而帶來的應用研究則主要包含了能工作於雙頻,多頻帶的天線設計以及能增加頻寬的天線設計.能工作於雙頻帶的天線可以用爲收發共用的天線,以處理同步進行接收與發射的兩個分離頻段的信號.另外,爲了適應目前無線通訊中越來越高的帶寬要求,改善微帶天線窄頻帶特性的設計亦成爲重要的研究課題之一.在過去的研究中已出現了許多設計方法,但有利有弊,不是很理想.例如使用厚介質基片材料以增加天線頻寬的設計在加大帶寬的同時,使所使用的天線體積也加大了.而進一步將天線體積縮小後,又會產生減小帶寬或使天線增益降低等缺點.因此 , 在上述的前提下,本文將針對如何保持微帶天線小型化的同時,對微帶天線多頻段,寬頻帶工作特性進行研究,同時設計兩種新型的天線結構.
2.課題名稱和課題來源
課題來源:本課題來源於現代通訊技術的實際需要.
3.前人在本課題研究領域的成果簡介
微帶天線的概念早在1953年就由Deschamps提出.從70年代起,微帶天線隨着應用領域的快速擴展而開始被廣泛的研究和使用.其中,許多學者和工程師對微帶天線的雙頻,多頻操作進行了大量的研究應用.早期發展的結構爲堆疊式與共平面式的結構,之後隨着頻率比,極化要求以及整體天線體積上的要求,並配合不同的饋入方式而有各種不同設計結構出現.例如有使用多個寄生元件或兩個獨立輻射元件的結構,有利用單一饋源或同時使用兩個獨立饋源在不同位置的設計,也有利用植入電抗性負載的設計,這些電抗性負載廣義而言包括短路同軸微帶,嵌入的微帶線,短路棒,變容二極管,槽孔等等.在解決微帶天線窄頻帶特性的問題上,各種設計不斷推陳出新,所利用的方法也不斷被開發並互相結合.例如有使用低介電常數的厚介質基底的設計,植入貼片電阻等損耗性元件的設計,植入集成式電抗性負載的設計,在饋入端設計匹配網絡,堆疊結構的設計,寄生元件的設計,植入槽孔以及利用槽孔耦合饋電的方式等等.
但是上述方法也存在不足,有時會影響天線其它性能指標.例如,使用短路探針加載,在縮減天線尺寸的同時,對帶來一些缺點,一方面使阻抗匹配依賴於短路探針的位置及其饋電點的距離,給製造公差提出了苛刻的要求,另一方面是帶寬縮減,如若使用電抗性元件加載同樣會造成帶寬縮減,如若使用電阻性器件,雖然有助於展開頻帶,但是電阻性元件對能量的消耗將降低天線的效率.因此 , 如果採用新的技術在實現小型化微帶天線多頻段,寬頻帶工作性能的同時,兼顧其它天線性能指標,如效率,增益,極化等,成爲研究的熱點和難點.
4.研究的主要內容和方法
天線分析的基本問題是求解天線在周圍空間建立的電磁場,求得電磁場後,進而得出其方向圖,增益和輸入阻抗等特性指標.分析微帶天線的基本理論大致可以分爲三類·最早出現的也是最簡單的是傳輸線模(TLM—Transmission Line Model)理論,主要用於矩形貼片.更嚴格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理論,可用於各種規則貼片,但是基本上限於天線厚度遠遠小於波長的情況.最嚴格而計算最複雜的是全波(FW-Full Wave)理論,全波分析中常常需要使用到各種數值方法.從原理上來說,全波理論可用於各種結構,任意厚度的微帶天線,然而要受到計算模型的精度和機時的限制.從數學處理上看,第一種理論把微帶天線的分析簡化爲一維的傳輸線問題;第二種理論則發展到二維邊值的問題的求解;第三種理論又進了一步,可以計入三維的變化,不過計算也費時的多.自然,這三種理論仍在不斷的在某些方面有所發展,同時也出現了一些別的分析方法.基於對全波理論中積分方程法的簡化,產生了格林函數法(GFA-Green Function Approach);而由空腔模墊的擴展,出現了多端網絡法(MNA-Multiport NetworkApproach),等.
本論文將分析總結多種實現微帶天線多頻段,寬頻帶工作的設計方法,尤其是對PIFA天線結構做了詳細分析,研究了天線高度,短路金屬板寬度與諧振頻率之間的`變化關係等.在使用3D電磁場仿真軟件HFSS對天線結構進行仿真的基礎上,結合多種設計方法,提出了兩種新型結構的微帶天線,分別應用於WLAN,移動通訊終端.論文中新型結構的微帶天線具有佔用體積小,頻帶寬,效率高等優點.爲了驗證仿真結果,製作並測試相應的天線,對實驗結果與仿真結果要進行對比,驗證是否吻合.
本論文的創新之處在於結合多種技術,研製的兩種新型結構的微帶天線,在實現小型化多頻段,寬頻帶工作的同時,兼顧了天線的增益與效率等指標,對實現工業上可應用的微帶天線具有一定的指導意義.