579 浏览移动通信系统中天线增益增强技术研究
摘要：微带贴片天线（Microstrip Patch Antenna,MPA）在各类无线通信设备中得到了广泛使用。但是对于MPA的低增益特性限制了在远距离的无线通信中的应用。高阶模谐振技术和谐振腔天线（Resonant Cavity Antennas,RCAs）为提高MPA增益提供了新的手段。本文基于这两项技术,针对MPA的增益增强展开研究,主要研究内容如下:首先,针对在传统矩形MPA中高阶模式TM12的辐射方向图在侧射方向性较差,对该模式等效磁流（Equivalent Magnetic Currents,EMCs）进行分析,提出其加入短路销钉后EMCs的变化,对该变化进行分析并绘制得到良好侧射方向性的归一化辐射方向图。根据该结论,仿真得到对应的电场分布,改善了天线的侧射方向性,显著增强了天线的侧射增益。得出的数据结果与仿真结果基本一致。利用该结论设计了一款双极化双频段高辐射效率十字形MPA。该天线设计馈电简单,在尺寸为1.65λ0 × 1.65λ0 × 0.023λ0实现双频,双极化,仿真实际增益在工作频段高于11dB,剖面低的优点,可用于窄带通信系统。其次,针对上述天线带宽窄,成本较高的问题,提出利用环氧树脂板层和空气层作为介质,利用天线的三个模式在同频段工作,实现三种模式叠加,让天线增益增强。又由于在该层的两个端口之间有较强的耦合,所以在地板中间加入了铜柱来减小耦合。该设计天线改善了天线的带宽性能,也实现了增益增强,仿真结果显示尺寸为2.29λ0 × 2.29λ0 × 0.069λ0时在工作频段实际增益优于11.53dB,最大值为12.59dB,测试结果显示在工作频段实际增益优于10.04dB,最大值为12.05dB。虽然该设计天线解决了带宽窄,成本较高的问题,但是双层介质板让天线结构变得复杂,以及环氧树脂板的损耗角正切较大,于是设计了一款空气作为介质层的低成本双极化高增益十字形MPA,尺寸为2.7λ0 × 2.71λ0 × 0.084λ0,仿真实际增益在工作频段高于13.79dB,最大值为15.01dB。最后,针对一款高隔离双极化MPA增益较低的问题,在该天线侧射方向加入一块频率选择表面（Frequency Selective Surface,FSS）覆盖板构成RCAs。该覆盖板单元采用对称结构设计,使双极化天线两辐射模式都能得到增益增强。仿真结果显示在工作频段内侧射实际增益提升6.98-10.46dB。同时带宽也得到了提升,由3.26%拓宽到 5.62%。
关键词：高增益;微带贴片天线
文章目录
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 研究工作的背景与意义
1.1.1 MPA辐射(侧射)方向上改进
1.1.2 MPA结构上改进
1.1.3 MPA介质板上改进
1.2 国内外研究历史与现状
1.3 本文的主要贡献与创新
1.4 本论文的结构安排
第二章 天线增益增强理论分析方法
2.1 高阶模理论
2.1.1 空腔模型理论
2.1.1.1 矩形MPA在空腔模型下的分析
2.1.1.2 圆形MPA在空腔模型下的分析
2.1.2 控制EMCs相对幅度改善辐射方向图
2.1.2.1 控制EMCs相对幅度改善TM11的辐射方向图
2.1.2.2 控制EMCs相对幅度改善TM21的辐射方向图
2.2 RCAs的原理
2.3 本章小结
第三章 基于高阶模理论实现双频双极化MPA增益增强
3.1 控制TM12的EMCs相对幅度和流向改善TM12的辐射方向图
3.1.1 天线设计
3.1.2 假设性分析
3.1.3 仿真结果
3.2 双极化双频段高辐射效率十字形MPA增益增强的设计
3.2.1 天线设计
3.2.2 工作原理
3.2.3 仿真结果
3.3 本章小结
第四章 基于高阶模理论实现低成本双极化MPA增益增强
4.1 双极化十字形MPA增益增强的设计
4.1.1 天线设计
4.1.2 工作原理
4.1.3 测试结果
4.1.3.1 S参数
4.1.3.2 辐射性能
4.1.3.3 比较
4.2 低成本双极化十字形MPA增益增强的设计
4.2.1 天线设计
4.2.2 仿真结果
4.3 本章小结
第五章 基于RCAs设计实现MPA增益增强
5.1 高隔离双极化MPA的选取
5.1.1 天线结构
5.1.2 仿真结果
5.2 FSS覆盖板的设计
5.2.1 FSS覆盖板基本单元的设计
5.2.2 FSS覆盖板的设计
5.3 利用RCAs实现MPA的增益增强结果
5.4 本章小结
第六章 全文总结与展望
6.1 全文总结
6.2 后续工作展望
致谢
参考文献
[1]面向毫米波无线传能的新型高增益微带天线[J]. 区俊辉,章秀银,唐杰. 空间电子技术. 2020(02)
[2]加载人工电磁结构的增益增强型圆极化频扫天线[J]. 马文宇,曹文权,曾志远. 微波学报. 2018(S1)
