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平面印刷天线分析与设计

作　者: 任学施
导　师: 尹应增
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 平面印刷天线微带天线阵列天线单脉冲多频段天线
分类号: TN822
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在21世纪，电子技术和无线通信技术得到了快速的发展。作为现代无线通信系统重要的一部分，天线往往需要具有小型化、多频带和宽频带等特性。目前，利用先进的印刷电路板技术和工艺，平面印刷天线由于具有加工方便、重量轻、低剖面、易于与有源器件和微波电路集成的特点而得到了广泛关注和研究。微带贴片天线具有良好的方向图定向性，容易实现双极化和圆极化，适合组成阵列而获得高增益；印刷单极和缝隙天线全向性好，容易实现多频和宽带特性，因此这些平面印刷天线被广泛用于雷达、卫星通信、移动通信等各种通信设备当中。所以，平面印刷天线的研究具有着重大理论意义和工程实用价值。本论文结合科研课题和各种无线通信系统的需求，对基于多层电路板印刷技术的双极化微带阵列天线和多频带及宽带平面印刷天线等几个问题展开了研究。作者的主要工作和创造性成果可以概括为：1．对小型化多层微带阵列天线进行了研究，设计出一种具有和差波束的双极化单脉冲微带阵列天线。该天线工作在Ku波段，由288个双极化微带天线单元组成。该天线具有以下几个优点：（1）天线采用8层印刷介质板技术，实现了小型化、低剖面特性，样机模型厚度仅为1.6mm；（2）通过采用高隔离度单元，阵列天线具有高达-36dB的极化端口隔离度；（3）双极化工作特性，使单脉冲天线能够获取更多空间信息，定位更加准确，填补了双极化单脉冲天线的空白；（4）将微带天线单元按照多圈圆环阵列形式排列，并设计了集成式馈电网络，充分利用载体空间尺寸，分布更加紧凑；（5）使用180反相馈电技术，使天线相对象限轴线成对称分布，仅需要设计四分之一扇区的馈电网络，极大地减小了工作量，提高了天线的设计效率。2．对单脉冲天线中的和差器进行了研究，采用一种具有局部旋转对称特性的和差器结构。该和差器呈“十”字形，由四个相互连接三分支3dB电桥外接相移线构成。不同于文献报道中的结构，本文将相移线移至三分支3dB电桥之外，减少了相移线的数量，不仅改善了和差器的对称性，而且简化了设计过程，降低了设计难度。3．对多频带平面印刷天线进行了研究。通过在矩形环内部加载直线枝节和曲折线枝节，设计出两种三频带矩形环单极天线，可用于WLAN/WiMAX2.5/3.5/5.5GHz无线通信；类似地，通过对U形环结构添加枝节，可以实现2.5/5.5GHz双频带工作；采用切角技术，可以使U形环天线工作在2.5/7.5GHz双频带，最终设计出用于WLAN2.4GHz和UWB高频段的宽带双频U形环单极天线；采用在地板上刻∩形缝隙的方法，设计出两种双频带印刷缝隙天线，可以实现WLAN/WiMAX3.5/5.5GHz双频带工作；采用多枝节方法，设计出一款三频带印刷单极天线，该天线可以用于WLAN/WiMAX2.5/3.5/5.8GHz无线通信。文中还制作了上述天线的实验模型，并进行了测试。4．对宽带平面印刷天线进行了研究。在PIFA天线基础上，采用箭头状枝节实现圆极化特性，设计出一种宽带圆极化PIFA天线。测试的10dB阻抗带宽为39.8%，AR<2dB的带宽为41.7%，证明该天线带宽远大于传统的微带圆极化天线；采用三叉星枝节加载技术，使普通微带矩形环天线的带宽由31.2%展宽至94.5%，最终设计出一种用于WLAN/WiMAX2.5/3.5/5.5GHz移动通信的宽带印刷天线；采用一种L型缝隙结构和倒F形馈电枝节，设计出一种用于超宽带通信的小型化平面印刷天线。该天线尺寸仅为23.7mm×23.7mm×0.8mm，具有体积小，低剖面等优点。测试结果表明，该天线可以完全覆盖3.1～10.6GHz的超宽带频段。

全文目录

作者简介  3-4
摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-35
  摘要  10
  §1.1 研究背景和意义  10-12
  §1.2 国内外研究现状  12-32
  §1.3 本文研究内容和主要工作  32-35
第二章基本理论概述  35-49
  摘要  35
  §2.1 引言  35-36
  §2.2 有限元方法  36-40
  §2.3 矩量法方法  40-43
  §2.4 微带天线理论分析  43-48
  §2.5 小结  48-49
第三章多层双极化微带阵列天线技术  49-77
  摘要  49
  §3.1 引言  49-50
  §3.2 单脉冲技术的基本原理  50-52
  §3.3 双极化微带天线单元  52-54
  §3.4 阵列的排布方式  54-58
  §3.5 阵列方向图估算  58-63
  §3.6 馈电网络设计  63-67
  §3.7 和差网络设计  67-71
  §3.8 天线阵列设计与分析  71-75
  §3.9 小结  75-77
第四章多频带平面印刷天线设计  77-109
  摘要  77
  §4.1 引言  77-78
  §4.2 多频段环形单极天线  78-92
  §4.3 多频段微带缝隙天线  92-101
  §4.4 多频段多枝节单极天线  101-107
  §4.5 小结  107-109
第五章宽带平面印刷天线研究  109-125
  摘要  109
  §5.1 引言  109-110
  §5.2 宽带圆极化PIFA天线  110-115
  §5.3 用于WLAN/WiMAX的宽带天线  115-119
  §5.4 小型化L形缝隙UWB天线  119-124
  §5.5 小结  124-125
第六章全文总结  125-127
致谢  127-129
参考文献  129-145
攻读博士学位期间的研究成果  145-148

平面印刷天线分析与设计

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