多频带多极化微带贴片天线研究

摘要

天线作为无线通信系统的关键部件，一直都是研究热点，尤其是微带贴片天线，因其具有易共形、低剖面、易加工、易与有源器件集成等优点而受到关注，已广泛应用于飞行器以及移动通信设备上。随着无线通信技术和多媒体技术的快速发展，对于能工作在多频带的天线的需求日渐增长，而不同频段往往需要不同的极化方式，如在GPS频段大多采用圆极化方式，在Wi-Fi、GSM频段则大多采用线极化方式，因此设计既满足多频段要求同时又满足不同频段极化方式不同要求的天线成为天线领域的一个难题。本文首先分析了单极天线和微带贴片天线在无人机上的工作性能，然后研究了多频带线极化微带贴片天线的实现方式，在此基础上进一步深入研究了实现多频带多极化微带贴片天线的不同方法及其小型化技术。
　　本文的主要研究工作和创新点如下:
　　1.以无人机通信为应用背景，分析了单极天线和微带贴片天线在无人机上的工作性能。首先从工作在Wi-Fi频段的单极天线着手，进行了单极天线与无人机机体的一体化建模，对比了单极天线在自由空间和在无人机上的特性差别;其次对工作在Wi-Fi频段的微带贴片天线与无人机机体进行了一体化建模，分析了贴片天线在自由空间和在无人机上的工作性能差别;进一步对比了单极天线和微带贴片天线在无人机上的性能差异，分析了存在的问题。
　　2.提出了一种利用缝隙加载技术实现贴片天线多频带辐射的方法，该方法利用贴片天线的基模产生低频段辐射，利用加载的弧形缝隙产生高频段辐射。为了增大阻抗带宽，采用了电容贴片馈电和双层介质结构。采用该方法设计了工作于GPS L1频段和Wi-Fi2.4GHz频段的双频带线极化天线、以及工作于GPS L1频段和Wi-Fi的2.4/5.5GHz频段的三频带线极化天线。
　　3.提出了一种双端口馈电的缝隙加载多频带多极化贴片天线结构，该结构利用双端口馈电实现了贴片上两个正交方向的工作模式，并且相位差约为90°，产生右旋圆极化，工作在GPS L1频段;同时利用加载缝隙引入了Wi-Fi2.4GHz的线极化频段。该天线能够满足GPS L1和Wi-Fi2.4GHz的带宽要求，并能保证两个频段远场方向图的一致性。
　　4.提出了一种单端口馈电的L型缝隙加载实现贴片天线双频带多极化的方法，并设计了一种工作在1.575GHz频段以及2.4GHz频段的微带贴片天线，在1.575GHz频段为左旋圆极化，在2.4GHz频段为线极化。为满足GPS L1频段的右旋圆极化需求，进一步将上述左旋圆极化天线的辐射贴片进行了垂直镜像，实现了在GPS L1频段的右旋圆极化辐射。这两种天线具有馈电简单、方便加工、成本低廉、易于共形等优点。
　　5.提出了一种单端口馈电的多频带多极化天线的小型化方法，利用高介电常数的介质材料，在保证厚度基本不变的情况下，将天线的尺寸减小了40％（相比于前边提到的天线）。该天线采用了三层介质结构，工作在低频段的辐射贴片在中层介质的上部，利用馈电贴片和辐射贴片之间的缝隙耦合馈电;工作在高频段的辐射贴片在最顶层介质上部，利用电容贴片馈电。该结构上层贴片和下层贴片分别独立地对各自的工作频段辐射有决定性贡献，该天线具有谐振频带易于调节的优点。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究意义及背景

1．2 研究现状

1．3 本文研究内容和章节安排

2．1 微带贴片天线

2．1．1 微带贴片天线韵传输线模型

2．1．2 贴片天线的腔体模型理论

2．2 缝隙天线理论

2．3 圆极化天线理论

2．3．1 天线的圆极化

2．3．2 天线的椭圆极化

3 无人机上的单极天线以及贴片天线的性能研究

3．1 传统单极天线的仿真分析

3．2 无人机上的单极天线性能

3．2．1 单极天线在无人机上的一体化建模

3．2．2 单极天线在无人机上的仿真分析

3．3 无人机上的贴片天线性能分析

3．3．1 贴片天线在无人机上的一体化建模

3．3．2 贴片天线在无人机上的仿真性能分析

3．4 本章小结

4 缝隙加载多频带贴片天线研究

4．1 双频带线极化天线研究

4．1．1 双频带线极化天线结构的研究

4．1．2 双频带线极化天线的参数仿真分析

4．1．3 双频带线极化天线的实测和仿真结果分析

4．2 三频带线极化天线的研究

4．2．1 三频带线极化天线结构研究

4．2．2 三频带线极化天线的参数仿真分析

4．2．3 三频带线极化天线的仿真和实测结果分析

4．3 本章小结

5 双端口馈电的多频带多极化天线研究

5．1 双端口馈电的天线结构图以及参数分析

5．1．1 天线结构

5．1．2 天线工作原理分析

5．1．3 天线关键参数分析

5．2 天线仿真结果和实测结果分析

5．3 本章小结

6 单端口馈电的多频带多极化天线研究

6．1 单端口馈电的多频带多极化天线(左旋圆极化)

6．1．1 天线的结构以及原理

6．1．2 天线的关键参数仿真分析

6．1．3 天线仿真和实测结果分析

6．2 单端口馈电的多频带多极化天线(右旋圆极化)

6．2．1 天线结构图和参数分析

6．2．2 天线仿真结果和实测结果分析

6．3 本章小结

7 小型化多频带多极化天线研究

7．1 天线结构和原理分析

7．1．1 天线的结构图

7．1．2 天线的工作原理

7．1．3 天线的关键参数分析

7．2 天线的实验结果分析

7．3 本章小结

8 结束语

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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