具有陷波特性的分形超宽带微带天线的研究与设计

作     者：胡银平 

作者单位：重庆邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡章芳

授予年度：2017年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：超宽带 树状分形 谢尔平斯基 陷波 

摘      要：超宽带（Ultra-wide band,UWB）通信系统以其高速率、低功耗、干扰小、分辨率高等优点在无线通信领域得到了快速发展。而天线作为辐射和接收电磁波的换能器件,是UWB通信系统中不可或缺的重要组成部分,直接关系到整个系统的性能。然而UWB频段内还包含有如WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access,WiMAX）和WLAN（Wireless Local Area Network,WLAN）频段的窄带通信系统,难以避免系统之间的干扰,所以,具有陷波特性的超宽带天线的研究显得尤为重要。本文对超宽带天线的辐射原理、分析方法以及分形的基本性质和实现方法进行了研究。研究表明,分形结构的空间填充性可以缩减天线的尺寸,其自相似性可以使天线实现多频谐振特性,增加天线的工作频带以展宽天线的带宽,为后续小型化超宽带天线设计提供理论基础。设计了基于矩形结构迭代生成的树状分形天线,缺陷地结构的接地板改善了频带间的阻抗匹配特性,使天线实现超宽带性能。通过增加树状分形的迭代次数,降低了天线最低工作频率,达到小型化目的,天线的尺寸为27×22×1mm,工作频段覆盖2.96-13.02GHz。为了在整个频段内获得更好的阻抗匹配特性,从结构的渐变特性入手,采用同样的迭代方法,将矩形基本单元改为三角形,设计了改进的Sierpinski分形超宽带天线,采用共面波导馈电和梯形结构的接地板获得了良好的阻抗匹配效果,实现了3.1-10.6GHz的超宽带频段的覆盖,通过增加分形的迭代次数,降低了天线的最低工作频率,实现了天线的小型化。天线的尺寸为30×16×0.8mm,方向图满足全向辐射特性,带内增益平坦,具有良好的辐射特性。为了避免UWB无线通信系统与WLAN（5.15-5.85GHz）系统之间的相互干扰,改进了前面所设计的Sierpinski分形超宽带天线,在其辐射结构上加载λ/4开路枝节,实现了在5.10-5.90GHz的阻带特性。并对其进行了实物测试,实测结果表明天线在5.05GHz-6.05GH产生陷波,与仿真基本吻合,满足设计目标。为了进一步消除与WiMAX（3.4-3.7GHz）频段之间的干扰,在单陷波Sierpinski分形天线上刻蚀λ/4的开路T形缝隙,天线实现了同时在WLAN和WiMAX频段的双阻带特性。由于T形缝隙宽度过小,加工工艺难度大,难以进行实物验证测试。又对树状分形超宽带天线进行双陷波改进设计,嵌入两个λ/2的U形谐振槽,同样实现了在WLAN和WiMAX频段的双陷波特性,并对其进行了实测,结果表明天线可覆盖3.1-10.6GHz频段,并在3.27-4.05GHz和4.95-6.00GHz产生陷波,与仿真基本吻合,证明了设计的有效性。