基于新型EBG结构的光子晶体天线设计

论文摘要

EBG（Electronic Band-Gap）结构是一种光子晶体结构。它是由光子晶体结构应用于微波射频波段产生的一种称谓,是一种周期性介质结构。光子晶体的带隙与电子能带非常相似,将具有不同折射系数的介质在空间按一定的周期排列,当周期结构为波长的数量级时,同样会由于周期性布拉格散射在一定范围内产生光子禁带。能量与频率平方是成正比的,能量分级而出现的部分禁带,意味着禁止某频段电磁波在其中传播。而另一种高阻光子晶体原理是相邻金属单元产生等效电容,导电通路产生等效电感,它们形成等效滤波器,并在特定频段阻止电流导体面流动。这种特性被称为电磁带隙或光子带隙。这种结构最早由Yablonovitch提出,该结构与传统材料截然不同的功能能特点和优势,使得其成为物理学、电磁场理论、材料科学等领域关注的研究热点。本文目的是研究EBG微波/射频光子晶体的电磁特性,并探索它在微波/射频天线中的应用。研究EBG微波/射频光子晶体,通过数值计算以充分理解EBG微波/射频光子晶体带隙的形成机理,掌握带隙与光子晶体各项参数之间的内在联系,对EBG微波/射频光子晶体天线的设计提供参考。同时设计光子晶体天线,并设计移动通信子系统验证光子晶体天线性能。1.研究内容之一是EBG微波/射频光子晶体电磁特性,追究表面波带隙的成因,以及带隙的数值计算方法和测量手段重点研究内容是探索EBG微波/射频光子晶体数值计算特性分析,充分理解微波光子晶体带隙机理的基础上,掌握带隙与各参数之间的内在关系。2.除此之外,另一研究内容就是研究EBG微波/射频光子晶体在天线中的应用,它在简单线天线、微带天线中的应用,分析所设计的新型的EBG微波/射频光子晶体在提高天线的带隙性能及对天线的辐射性能的提高方面的改善作用。此外还对其他结构的可能影响进行初步分析。然后对结合天线结构进行分析和设计,对EBG微波/射频光子晶体天线特性及其原理进行分析研究,并最终通过仿真和实验进行验证指导。3.重点研究基于EBG微波/射频光子晶体天线的无线通信子系统中的应用,对LTE无线通信2 lobe/8 lobe子系统进行设计所涉及的结构,根据数值研究和分析,对该系统进行了设计,对拥有光子晶体天线的系统的性能改变进行了实验和分析。最后,LTE无线通信2 lobe/8 lobe子系统性能得到了极大的提升,证明了理论分析结果和仿真系统的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 EBG 电磁带隙光子晶体发展概况及现状
• 1.1.1 EBG 电磁带隙光子晶体的结构和发展趋势
• 1.1.2 EBG 电磁带隙光子晶体的应用
• 1.2 EBG 电磁带隙光子晶体天线的类型及其应用
• 1.2.1 EBG 电磁带隙光子晶体天线的慢波应用
• 1.2.2 EBG 电磁带隙光子晶体天线的漏波应用
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 新型EBG 微波射频结构的光子晶体
• 2.1 光子晶体表面波带隙的成因
• 2.2 光子晶体带隙数值计算方法研究
• 2.2.1 光子晶体带隙数学解释
• 2.2.2 光子晶体周期及其边界条件的数学解释
• 2.2.3 时域有限差分法对带隙的分析
• 第三章 新型EBG 结构光子晶体天线
• 3.1 新型光子晶体带隙结构-Springboard 结构
• 3.1.1 Mushroom 结构与Springboard 结构天线计算模型
• 3.1.2 仿真实验及其结果分析
• 3.1.3 结论及其分析
• 3.2 基于EBG 光子晶体结构的新型Ovate 天线
• 3.2.1 基于超宽带Bowtie 原理的Ovate 天线设计
• 3.2.2 基于新型Springboard 结构的Ovate 天线
• 3.2.3 结论及其分析
• 3.3 基于EBG 光子晶体结构的新型UWB 天线
• 3.3.1 无线通信盘椎UWB 天线设计
• 3.3.2 基于新型Springboard 结构UWB 天线
• 3.3.3 结论及其分析
• 3.4 总结及其分析
• 第四章 新型EBG 光子晶体天线的LTE 通信子系统设计
• 4.1 LTE 通信技术
• 4.1.1 LTE 通信技术基本特点
• 4.1.2 LTE 目前应用及其分析
• 4.1.2.1 LTE 技术优势逐渐显现
• 4.1.2.2 市场LTE 新技术应用研究
• 4.1.2.3 市场状况及其项目研究背景
• 4.2 现代通信系统
• 4.3 通信子系统RRU 解决方案
• 4.3.1 RRU 结构
• 4.3.2 硬件系统设计规划
• 4.3.3 软件系统设计规划
• 4.3.4 机械结构设计规划
• 4.4 TRX 电路板设计
• 4.4.1 频率计划
• 4.4.2 LTU（Local Timing Unit）本地时钟单元和本振设计
• 4.4.3 RX 模拟电路链路分析
• 4.4.4 TX 模拟电路链路分析
• 4.4.5 DF 模拟电路链路分析
• 4.4.6 数字子系统
• 4.5 RRU 软件系统设计
• 4.5.1 基于以太网Ethernet 的TCP/IP 协议连接
• 4.5.2 基于Ethernet 的LINX 连接
• 4.5.3 BB 和RRU 相互独立模式
• 4.6 PA 系统设计
• 4.6.1 功放管分析
• 4.6.2 PA 结构设计
• 4.7 FU 设计
• 第五章 基于新型光子晶体Ovate 天线的两天线 TDD-LTE 通信子系统
• 5.1 RRU 设计系统及光子晶体天线组合
• 5.2 测试验证环境
• 5.3 测试模型及方法
• 5.4 有无光子晶体天线RRU 详细性能比较
• 5.4.1 两种RRU 组合输出功率指标
• 5.4.2 两种RRU 组合总功率动态范围指标
• 5.4.3 两种RRU 组合频率误差指标
• 5.4.4 两种RRU 组合EVM 指标
• 5.4.5 两种RRU 组合ACLR 指标
• 5.4.6 两种RRU 组合带外杂散指标
• 第六章 结论和展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果