小型化超宽带天线的分析与设计

论文摘要

随着室内高速无线通信技术的发展,超宽带（UWB, ultra-wideband）短距离无线通信技术引起了通信领域的极大关注。作为其重要组成部分之一的UWB天线近年来成为研究热点。就目前UWB天线的研究来看,除了满足系统技术要求之外,还迫切需要实现天线的小型化和低成本。另外,为了避免UWB系统与无线局域网系统（WLAN: 5.15 GHz - 5.825 GHz）和全球微波互联接入（WiMax: 3.3 GHz - 3.6 GHz）之间的干扰,还要求设计针对这些频段具有陷波功能的UWB天线。本文主要围绕小型化UWB天线展开研究,分析了若干微带线馈电和共面波导馈电的UWB单极子天线;并对贴片开槽的陷波天线进行了深入讨论,验证了陷波功能及性能。本文具体工作的主要内容如下:本文首先对国内外大量UWB天线的相关文献进行整理和分析,总结了UWB天线近年来的发展历程、研究热点及其应用,接着论述了微带天线的基本理论和UWB系统对天线的技术性能要求,在此基础上提出了一种微带线馈电的圆形贴片UWB共面单极子天线,并通过加工测试。最终的仿真和测量结果证明了这种天线的可实现性和实用性。其次,为进一步减小天线的尺寸,提出了一种结构紧凑的微带线馈电酒杯形贴片UWB天线,借助三维全波电磁仿真软件对该天线的电磁特性进行模拟,重点分析了酒杯贴片参数和地板阶梯结构参数变化对反射系数的影响,并对仿真数据进行了详细的分析和总结,经过加工测试,天线的-10 dB带宽频率范围:3.1 GHz—12 GHz。为有利于天线与系统集成,本文还提出两种共面波导馈电的UWB天线,并应用仿真软件对天线的关键参数进行了分析,得出满足UWB系统要求的阶梯结构小型共面波导天线,天线的工作频段为3.1 GHz - 14 GHz,并在H面具有良好全向方向性。最后,在所介绍的共面波导天线的基础上通过对天线贴片开U形缝隙和双倒L形缝隙,本文设计了几款满足陷波要求的UWB天线。通过模拟分析电流分布,解释了实现陷波功能的原理;通过对缝隙参数进行分析,得出天线的陷波工作频段由缝隙长度来控制,缝隙宽度和缝隙位置则会影响陷波频段带宽。所提出的新结构天线实现了对一个或者两个干扰频段的陷波功能,因此具有较高的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 超宽带技术简介
• 1.2.1 超宽带技术背景
• 1.2.2 超宽带技术应用
• 1.3 超宽带天线研究历史与现状
• 1.4 论文安排
• 第二章 超宽带天线的基本参数和分析方法
• 2.1 天线的基本参数
• 2.1.1 天线的阻抗带宽和辐射方向图
• 2.1.2 天线的方向系数、效率和增益
• 2.2 微带天线理论和超宽带天线技术要求
• 2.2.1 微带天线基本概念和展宽频带的途径
• 2.2.2 共面波导概念
• 2.2.3 超宽带天线技术要求
• 2.3 天线分析方法以及使用的软件
• 2.3.1 有限元法和Ansoft HFSS 软件
• 2.3.2 有限积分法和CST MICROWAVE STUDIO 软件
• 第三章 超宽带平面印刷单极子天线
• 3.1 圆形贴片超宽带平面印刷单极子天线
• 3.1.1 天线的基本结构和敏感参数分析
• 3.1.2 仿真方向图和实验结果
• 3.2 酒杯形贴片超宽带平面印刷单极子天线
• 3.2.1 酒杯形贴片超宽带天线的结构变化和参数分析
• 3.2.2 仿真方向图和实验结果
• 3.3 共面波导馈电圆形超宽带平面印刷单极子天线
• 3.3.1 共面波导馈电天线结构
• 3.3.2 仿真方向图和实验结果
• 3.4 一种新型结构的共面波导超宽带印刷单极子天线
• 3.4.1 天线的缝隙和阶梯结构分析
• 3.4.2 仿真方向图和实验结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 具有陷波特性的超宽带天线
• 4.1 圆形辐射贴片开槽陷波天线
• 4.1.1 陷波天线的基本结构
• 4.1.2 天线缝隙参数对阻抗带宽的影响
• 4.1.3 天线的仿真和实验结果
• 4.2 具有双陷波结构天线设计
• 4.2.1 U 形缝隙天线结构设计
• 4.2.2 天线的仿真和实验结果
• 4.3 双倒L 形缝隙陷波天线
• 4.3.1 开双倒L 形缝隙天线结构设计
• 4.3.2 仿真与实验结果
• 4.4 具有双陷波功能的超宽带天线
• 4.4.1 具双陷波功能天线结构设计
• 4.4.2 仿真与实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果