超宽带及MIMO天线的研究与设计

作     者：周穹 

作者单位：云南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：申东娅;张秀普

授予年度：2015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：超宽带天线 小型化超宽带天线 匹配 MIMO超宽带天线 隔离度 

摘      要：随着无线通信领域日新月异的发展,终端设备的小型化成为各大公司的发展趋势,而且现代通信的频带资源越来越紧张,通信数据量越来越大,通信设备的小型化,频带资源和通信速率等一系列问题自然而然成了许多科学家们所热衷的研究问题。天线作为无线通信设备的接收和发射信号的元件,必然成为了许多科学家重点研究的对象。现在天线正朝着小型化、宽带化和多天线的方向发展,小型化是为了适应终端设备小型化的趋势,宽带化是为了能更好的适应各种系统的通信频段和增加频带资源,多天线是为了适应现在通信系统大的、快速的、更精确的和更广范围的传输数据。 本文主要采用超宽带微带天线技术的几种方法融合设计了2款多枝节的超宽带微带天线和一款小型化的超宽带天线,再根据其中后面的一款小型化超宽带微带天线设计了一款超宽带(UWB)-多输入多输出(MIMO)天线。 第一款天线为多枝节的超宽带天线,该天线采用E型对称结构为原型,在此基础上不断地扩展天线的电长度和采用各种匹配技术达到超宽带性能,通过地面挖的半圆形的槽使得7.5GHZ-12.6GHZ频带的S11参数低于-10dB,再在挖出的半圆形的槽旁边加上2个1/4的圆槽使得12.6GHZ-14.7GHZ频带的S11参数低于-10dB(天线两边是对称的,左右分别有2个半圆形的开槽,2个半圆形的开槽两边又分别开2个1/4的圆槽),从而形成了最后的超宽带天线,带宽覆盖3.2GHZ-3.8GHZ、4.6GHZ-18GHZ,而且天线具有比较高的峰值增益,天线峰值增益基本在10dBi以上,然后在此款天线的基础上进行加工改进,简化了天线的结构,使得天线在测试时更加稳定,改进后的天线的工作带宽为3.2GHZ-18.7GHZ。 第二款天线是以传统的圆形微带贴片天线为基础,再此基础上加上一个矩形贴片与圆形相交形成两边对称的结构,从而增加天线的电长度来得到低频带的带宽,再在地面进行相应的匹配得到3.1GHZ-11.5GHZ的超宽带天线,覆盖了美国联邦通信委员会(FCC)所规定的民用超宽带频段3.1GHZ-10.8GHZ,而且尺寸和以往的圆形超宽带微带贴片天线相比具有尺寸小的特点。 第三款天线是在第二款天线的基础上做成的4端口的UWB-MIMO天线,4个端口分布于天线的四个方向,相邻的两个天线辐射单元是垂直的且在介质基板的两侧这样可以增加2相邻辐射单元之间的隔离,再在此基础上加上一个铜制的十字架金属结构,十字架的每个架脚位于两个相邻的辐射单元之间,这样使得天线的每个辐射单元在工作频段***内的隔离度S21,S31和S41均小于-15dB,从而满足通信系统的隔离要求,而且十字架的高度只有1.3mm,天线的总高度也只有1.9mm,完全可以植入到手持通信设备当中不会对设备的尺寸有大的影响。此UWB-MIMO天线尺寸较小,隔离度较高,峰值增益基本在10dBi,辐射效率基本在90%以上,分集增益良好,是UWB-MIMO系统的一个很好的选择。