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一种基于多模谐振的宽带贴片天线设计

测试技术学报 2022年第3期36卷 252-259页

作者：王浩张旭裴立力陈新伟韩国瑞山西大学物理电子工程学院山西太原030006

设计了一种基于多模谐振的宽带贴片天线.首先,通过在一个矩形贴片上蚀刻两条缝隙的方式,使天线同时工作在TM_(10)和反相TM_(30)两个正交的模式来展宽天线的带宽;其次,通过在辐射贴片左右两侧的顶角处蚀刻4个方形缝隙,改善天线低频处的... 详细信息

设计了一种基于多模谐振的宽带贴片天线.首先,通过在一个矩形贴片上蚀刻两条缝隙的方式,使天线同时工作在TM_(10)和反相TM_(30)两个正交的模式来展宽天线的带宽;其次,通过在辐射贴片左右两侧的顶角处蚀刻4个方形缝隙,改善天线低频处的阻抗匹配,有效激励起缝隙模式,进一步展宽天线的工作带宽;为了激励这3个工作模式,天线采用缝隙耦合馈电方式,同时在微带馈线的终端加载方形贴片,来改善天线的阻抗匹配.测量和仿真结果吻合良好,天线的工作频带为2.09 GHz~2.77 GHz,相对带宽为27.9%.天线实现了良好的宽边辐射,峰值增益达到了6.3 dBi.

关键词：多模谐振宽带贴片天线微带天线

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基于多模谐振的宽带天线研究与设计

基于多模谐振的宽带天线研究与设计

作者：张宥诚南京信息工程大学

学位级别：硕士

微带天线具有低轮廓、轻质量、低成本和易于与微波电路集成等优点,其被广泛地应用在雷达、卫星等无线通信领域。随着无线通信技术的不断进步,通信设备朝着小型化、集成化、宽带化和智能化的方向不断发展,微带天线的窄带特性限制了它在... 详细信息

微带天线具有低轮廓、轻质量、低成本和易于与微波电路集成等优点,其被广泛地应用在雷达、卫星等无线通信领域。随着无线通信技术的不断进步,通信设备朝着小型化、集成化、宽带化和智能化的方向不断发展,微带天线的窄带特性限制了它在众多需要宽频带情况下的应用。微带窄缝隙天线作为微带天线的一种,不仅拥有传统微带天线的优点,同时也易于与其他物体共形,同样面临带宽较窄的问题。为此科研人员做了大量的研究工作。本文共设计了四款缝隙宽带天线,对其中三款进行了实物制作与测试。实测结果与仿真基本一致,符合天线实际使用需求,具有一定应用价值。本文的主要工作如下:1.提出了一款新型紧耦合缝隙宽带天线。该天线利用微带线耦合馈电,在地板上开多个矩形缝隙,缝隙间互相耦合,产生多个互相靠近的谐振模式,从而形成宽频带效果。仿真结果表明:该天线工作的频段为4～11.25 GHz(S多模谐振原理,设计了两款结构新颖的窄缝隙宽带天线。第一款天线利用“一腔多模”思想,采用非对称位置馈电和添加缝隙槽枝节的方式均是为了产生更多的电流谐振回路,从而激励出尽可能多的模态,形成多模谐振,拓宽天线频带。第二款天线在第一款天线的基础上,通过在其内部再蚀刻一个宽度为1.5 mm的缝隙槽,引入第四个谐振模式,形成“四模共振”,从而进一步提高窄缝隙天线的带宽。实测表明:测试结果与仿真结果基本一致。第一款天线的相对带宽达到了44.5%,第二款天线的相对带宽提高到72%,验证了本文设计的方法有效性。3.为了对多模谐振原理所设计天线的过程有更清晰的物理解释,结合最新的研究热点,利用特征模理论进行缝隙宽带天线设计。提出了一款缝隙宽度仅为1.8 mm,相对带宽达到87.6%的窄缝隙宽带天线。首先对基础的天线结构进行模式分析,选择合适的天线结构;其次利用偏心馈电的方式,激励出目标模式,从而拓宽天线的带宽;最后对天线结构尺寸参数进行进一步优化并加工实物与测试。

关键词：微带缝隙天线宽带多模谐振特征模理论

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基于多模谐振的宽带差分微带天线设计

基于多模谐振的宽带差分微带天线设计

作者：冯澍西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着现代无线通信技术的迅速发展,通信系统的集成度越来越高,这也对现代天线的设计提出了新的要求。微带天线作为一种具有低剖面高度,较轻重量,易与物理结构表面共形的谐振型天线,在各种无线系统中均得到了广泛应用。在通信系统中,射频... 详细信息

随着现代无线通信技术的迅速发展,通信系统的集成度越来越高,这也对现代天线的设计提出了新的要求。微带天线作为一种具有低剖面高度,较轻重量,易与物理结构表面共形的谐振型天线,在各种无线系统中均得到了广泛应用。在通信系统中,射频前端多采用差分信号处理技术,其具有易识别小信号,抗干扰能力强的优点,因此在使用传统单端口天线作为系统的负载时,需要额外添加一个转换巴伦。近年来提出的差分微带天线解决了差分射频前端与单端口馈电天线的矛盾,除去了天线前端的转换巴伦,消除了由巴伦带入的损耗以及额外的花费。然而作为一种具有高Q值的谐振型天线,微带天线的工作带宽往往较小,其典型值为5%。基于此背景,本文主要研究了基于多模谐振技术的差分微带天线,重点关注多模谐振技术对微带天线带宽的拓展。本文主要研究内容包括:1.多寄生模式谐振的宽带差分微带天线:该天线由四分之一波长线谐振器、矩形共面寄生单元、开口环谐振器及微带主辐射贴片组成。首先四分之一波长线谐振器作为天线的耦合馈电结构对天线进行馈电,并且该结构引入了一个非辐射的谐振模式;接着在微带主辐射贴片两侧共面地加载了两个矩形寄生贴片,这对寄生贴片引入了一个新的寄生辐射模式参与天线的工作。然后在天线馈线下方的金属地板上蚀刻了一对矩形开口环谐振器,这对开口环缝隙不仅拓展了天线的低频工作带宽,并且在天线的低频带外引入了一个新的非辐射的谐振模式。由于上文中提到的谐振模式不属于微带天线本身固有的模式,故将这几个模式归类到寄生模式。综上所述,该天线总共加载了三个寄生模式,仿真与实测结果表明,该天线在0.051个中心频率波长的剖面高度下实现了26.7%(5.35GHz至7GHz)的工作带宽,并且带内增益稳定(7.7d Bi至10.7d Bi),不存在任何空气介质的填充。2.多辐射模谐振的具有WLAN 5.8GHz陷波特性的宽带差分微带天线:该天线由一对三角形矩形复合的辐射贴片,一对加载在微带馈线上的容性加载开口环谐振器(CLL)组成。天线的宽带化是通过同时激励矩形微带天线的TM、TM和三角形微带天线的TM模式,并且将这三个模式的谐振频率调节至互相靠近彼此以形成一个较宽的工作带宽。在此基础上,在天线的微带馈线上加载了两个CLL谐振器,该CLL谐振器的加载直接引入一个WLAN 5.8GHz频段的陷波频点,并且该非辐射的谐振模式也将微带天线的低频工作带宽进行了拓展。仿真与实测结果表明,该天线实现了43.5%(5.93GHz-9.23GHz)的工作带宽,并且天线的结构没有引入任何空气介质填充。天线在5.8GHz存在一个辐射零点,消除了WLAN信号的干扰。天线在工作带内的增益稳定,为4d Bi-6d Bi。3.基于四模谐振具有方向图修正的宽带差分微带天线:本天线以矩形微带贴片为原型,在贴片的表面蚀刻了多条缝隙,并加载了多个短路探针。通过上述处理,该天线的TM、TM、TM、TM模式均得到了激励,天线的带宽相较于传统的单模谐振天线而言拓展了4倍。在本文的论述中,使用了阵列天线的分析方法,直观地展示出了高次模式在边射方向上的辐射零点,并且依据此模型给出了对特定辐射零点的修正方案。仿真结果与实测结果吻合程度较好,在0.058个中心频率波长的剖面高度下,天线实现了29.4%(3.22GHz–4.33GHz)的阻抗带宽,并且天线在工作带宽内边射增益稳定,未出现辐射零点。天线的交叉极化特性良好,在各个工作模式均处于-20d B以下。

关键词：差分天线微带天线宽带天线多模谐振

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基于多模谐振的宽带小型化天线的设计与研究

基于多模谐振的宽带小型化天线的设计与研究

作者：陈鑫鹏西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着现代通信系统的飞速发展与应用,迫切需要天线兼顾小型化与宽带化特性。低剖面宽带天线在载体平台、卫星通信、雷达系统等通信系统中具有广阔的应用前景。本文基于多模谐振对微带天线与介质谐振天线的低剖面、小型化及带宽展宽等技... 详细信息

随着现代通信系统的飞速发展与应用,迫切需要天线兼顾小型化与宽带化特性。低剖面宽带天线在载体平台、卫星通信、雷达系统等通信系统中具有广阔的应用前景。本文基于多模谐振对微带天线与介质谐振天线的低剖面、小型化及带宽展宽等技术进行深入的研究与分析,具体内容有:首先,提出了一种基于多模谐振的低剖面宽带微带贴片天线,天线剖面高度仅为0.042λ(λ为中心频点处的自由空间波长),带宽达到25.9%,同时具有稳定的法向辐射方向图特性。首先在天线矩形辐射贴片上开槽和加载短路销钉,使天线辐射贴片工作在三个谐振模式(TM模、TM模和TM模式)。其次,研究了开口谐振环宽带匹配网络的设计方法,通过引入SRR模激励起两个额外的非辐射模谐振点。最后将宽带匹配网络与辐射贴片结合,将辐射贴片的三个谐振模式和匹配网络的两个额外谐振模式相互靠近,有效地拓展了天线的阻抗带宽(25.9%),是相同电尺寸下传统微带天线的5.9倍。其次,提出了一种通过加载金属销钉缩小介质谐振天线尺寸的方法,设计了一款小型化宽带介质谐振天线。详细讨论了金属销钉加载拓展介质谐振天线阻抗带宽的原理。通过金属销钉加载于介质谐振天线TM模式的电场节点线附近,在天线低频引起一个金属销钉谐振模式,而销钉模式对介质谐振天线TM模的谐振频率影响较小。选取合适的短路销钉尺寸与位置,使得天线在双模谐振下获得宽带特性。最后对所设计天线制作了实物,并对天线相关电性能进行了测试。结果表明天线的半径与高度仅为0.16λ和0.09λ,在双模谐振下的工作带宽为17%(3.65-4.33 GHz),是相同电尺寸下传统介质天线的3.8倍。此外,天线具备稳定的锥型辐射方向图。最后,利用人工磁导体的表面波带隙特性及其对平面波同相反射特性,设计了一款小型化宽带介质谐振天线。首先,分析研究了人工磁导体的单元数目及尺寸参数对天线的影响。为了实现多模谐振宽带特性,在矩形介质天线表面加载人工磁导体结构,观察天线电性能变化;最后,加载金属面(电壁)使天线的尺寸进一步缩小。最终天线阻抗带宽达到17.1%,是相同电尺寸下传统介质天线的8倍。其次,天线具备稳定的定向辐射特性,其尺寸仅为0.31λ×0.31λ×0.045λ。

关键词：小型化低剖面宽频带微带贴片天线介质谐振天线多模谐振

一种高阻抗线上加载开路存根的多模谐振超宽带滤波器

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黑龙江科技信息 2013年第12期 3-3页

作者：胡德隆姜弢哈尔滨工程大学信息与通信工程学院黑龙江哈尔滨150001

本文提出一种在高阻抗线上加载开路存根实现超宽带滤波的方案。该滤波器采用多模谐振(MMR)的方式,MMR是由加载的三个存根循环分流到一个高阻抗的微带线实现的,用叉指结构来耦合能量。采用FR4介质板的相对介电常数为10.8,介质板厚度为0.6... 详细信息

本文提出一种在高阻抗线上加载开路存根实现超宽带滤波的方案。该滤波器采用多模谐振(MMR)的方式,MMR是由加载的三个存根循环分流到一个高阻抗的微带线实现的,用叉指结构来耦合能量。采用FR4介质板的相对介电常数为10.8,介质板厚度为0.635mm。利用软件CST对设计方案进行验证与优化,得到通带范围为3.1-10.6GHz,带内插入损耗大于-0.5dB,回波损耗小于-15dB,上阻带宽度为14-26GHz。

关键词：多模谐振超宽带叉指耦合开路存根高阻抗线

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基于特征模分析的双极化天线设计

基于特征模分析的双极化天线设计

作者：吴磊电子科技大学

学位级别：硕士

随着近现代通信科技的不断发展,人们对通信质量的要求愈来愈高。双极化天线由于其抗多径衰落、拓宽信道容量并有效降低馈电网络的复杂度等优势广泛被应用在无线通信系统中。不论是在基站通信系统还是在室内通信环境,都要求双极化天线覆... 详细信息

随着近现代通信科技的不断发展,人们对通信质量的要求愈来愈高。双极化天线由于其抗多径衰落、拓宽信道容量并有效降低馈电网络的复杂度等优势广泛被应用在无线通信系统中。不论是在基站通信系统还是在室内通信环境,都要求双极化天线覆盖更多通信频段的同时可以保持低剖面、小型化和高隔离。宽带特性能够避免使用多副窄带天线,使系统更为简单,高隔离指标则保证双端口的信号能够独立传输。对于双极化天线的实现方法,传统微带天线的带宽较窄,交叉偶极子天线与磁电偶极子天线又面临着剖面过高的问题。超表面天线的提出使得上述问题迎刃而解,超表面因其具有低剖面、低损耗、模式频率间隔较窄以及易于设计与实现的特点而广泛应用于天线设计中。本文基于超表面天线的形式,利用特征模分析的方法,对具有高性能的宽带双极化天线进行研究设计,主要工作如下:1.提出了一款双模宽带双极化超表面天线。对初始3×3超表面结构进行特征模分析,挑选出其中期望的正交模式,结合微带-缝隙耦合的馈电结构,将一对超表面模式与一对缝隙模式同时激励来拓展带宽,双极化端口的-10 d B相对带宽分别可达31.61%和32.77%,剖面高度仅为0.054λ,端口隔离大于25 d B。2.提出了一款多模宽带双极化超表面天线,此为第一款天线的延伸设计。首先确定了馈电方式及馈电位置,并结合指标要求提出对初始3×3结构的优化目标,通过特征模的分析找到期望的一对主模式与一对高次模式,再利用特征模的指导不断优化超表面的几何结构,改善高次模式的特性,最终将多对超表面及缝隙模式结合,实现了多模谐振下的宽带特性。测试双极化端口的-10 d B相对带宽分别可达52.08%和53.28%,端口隔离大于21 d B,天线具有稳定的侧向辐射特性,工作适用于Sub-6 GHz频段的5G基站系统。3.提出了一款全向高隔离宽带双极化超表面天线。基于初始4×4超表面结构,结合特征模分析选出其中的相互正交的全向垂直极化模式和全向水平极化模式,根据设计指标提出对超表面的优化目标,要保证模式谐振点相互靠近的同时最强电流的位置尽可能分离,两种模式再分别选用探针馈电和微带-缝隙耦合馈电进行激励,确保了较高的端口隔离,优化后的超表面满足设计需求。最终该天线实现了全向辐射特性,双端口的方向图不圆度低于3 d B,测试所得双极化端口-10 d B相对带宽约为39.4%,工作适用于室内近距离信号全覆盖的吸顶天线。

关键词：宽带双极化天线超表面天线特征模分析多模谐振全向天线

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低剖面宽带双极化天线设计

低剖面宽带双极化天线设计

作者：魏利娟华南理工大学

学位级别：硕士

随着无线通信系统的发展,为了覆盖更多的通信频段,宽带天线的需求日趋提升。同时,由于通信系统设备的可用空间有限,需要小型化设计以满足通信需求。因此具有宽带宽覆盖、小型化设计、低剖面天线的研究具有重要意义。双极化天线由于其能... 详细信息

随着无线通信系统的发展,为了覆盖更多的通信频段,宽带天线的需求日趋提升。同时,由于通信系统设备的可用空间有限,需要小型化设计以满足通信需求。因此具有宽带宽覆盖、小型化设计、低剖面天线的研究具有重要意义。双极化天线由于其能够对抗多径衰落并提升信道容量的优势,广泛用于通信系统中。但是在双极化天线现有的设计中发现,天线的宽的带宽覆盖与其低剖面性能存在一定的相互制约作用,因而无法满足一些低剖面宽带的应用场景。针对此问题,本文设计了一款低剖面宽带双极化天线和一款双频双极化天线。具体内容包含以下两个部分:1、提出了一款低剖面宽带双极化天线。该天线基于多模式贴片原理,同时结合了偶极子天线的差分对称的结构形式。首先,研究和设计了箭头形状的辐射贴片以同时激励起三个模式,进而使天线获得宽带性能。其次,为了获得整个通带内稳定的辐射增益,在箭头状天线的两翼引入了短路钉结构。最后,馈电结构采用平面耦合馈电的形式使天线在宽带内获得较好的阻抗匹配。为了验证上述设计,对该双极化天线进行加工、测试。最终该天线工作频段为2.10 GHz–3.95 GHz,阻抗带宽为61%,剖面厚度为0.1λ,平均增益为7.31 dBi,极化隔离度大于25 dB。与其他双极化天线相比,该天线能够在低剖面下实现更宽的带宽,成果已投稿至IEEE Transactions on Antennas and Propagation。2、提出了一款双频的宽带低剖面双极化天线。该天线同样基于多模式贴片理论并结合偶极子天线的差分对称的结构形式。首先,通过对矩形贴片倒角并调节其长宽比能够使其同时激励起四个模式。其中前两个模式共同构成低频通带。为了稳定低频通带内的增益,使用一对长缝隙将TM模式移动至低频通带外。同时,对于高频通带,馈电探针两侧蚀刻另一对短缝隙激励的模式与TM模式共同构成高频通带。最终该双频天线的剖面厚度仅有0.096λ。其在低频通带的工作范围为2.53 GHz–2.93 GHz,其拥有14.6%的-10 dB阻抗带宽,8.16 dBi的平均增益。高频通带的工作范围为4.5 GHz–5.36GHz,获得17.4%的带宽,6.03 dBi的平均增益。两个通带内的隔离度均大于23dB。

关键词：低剖面宽带双极化天线多模谐振双频天线

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三模谐振宽带扇形偶极子天线的研究

三模谐振宽带扇形偶极子天线的研究

作者：潘晨欣南京邮电大学

学位级别：硕士

随着第五代移动通信(5G)的部署,对高性能基站天线的需求也愈发强烈。现代基站要求其内部天线同时实现小型化、宽带化和高隔离度等指标。近年来,多种拓宽天线带宽的技术被广泛研究。但这些技术在实现目标性能的同时往往使天线的设计和制... 详细信息

随着第五代移动通信(5G)的部署,对高性能基站天线的需求也愈发强烈。现代基站要求其内部天线同时实现小型化、宽带化和高隔离度等指标。近年来,多种拓宽天线带宽的技术被广泛研究。但这些技术在实现目标性能的同时往往使天线的设计和制作复杂化。因此,结构简单的宽带单元天线将是未来基站天线系统的关键部件。近年来,多模谐振技术被广泛用于宽带天线的设计,通过同时激发多个谐振模式来拓宽可用辐射带宽,同时天线具有简单的结构。本文基于多模谐振理论,设计了一类结构简单、成本低廉、性能良好的宽带扇形偶极子天线并实现了双极化设计,它们可望被应用于基站天线设计中。论文主要贡献包括:1.完善了二维扇形偶极子天线的多模谐振理论,将其拓展到三模扇形偶极子天线的设计。提出了三模扇形偶极子天线的模式综合设计方法,并推导了天线关键参数的设计闭式。同时还介绍了利用多模谐振理论实现宽带天线的相关技术背景。2.根据多模谐振理论方法设计了多个中心频率在2.4GHz的二维扇形偶极子天线样品。最初制作了圆心角为240°的全波扇形偶极子天线,该天线激发了TE,TE和TE模式;为了进一步拓宽带宽,制作了圆心角为300°的1.5倍波长扇形偶极子天线,该天线激发了TE,TE和TE模式;两者均使用枝节-开槽混合加载的方式,且都实现了倍频程的宽带特性。为了验证该多模谐振理论的正确性,分别对上述两种天线实物样品的性能参数进行测量,并与仿真的结果进行比较。3.研究了扇形偶极子天线实现三模宽带谐振的加载方法,设计了另一种加载双调谐枝节的圆心角为300°的1.5倍波长扇形偶极子天线。经过实验验证,双枝节加载的扇形偶极子天线同样实现了三模宽带特性,性能指标与枝节和开槽扰动的方式差别不大,证明了使用枝节和开槽扰动扇形偶极子天线高阶模式的有效性。4.最后,将两个相同的圆心角为300°的1.5倍波长扇形偶极子天线正交放置,并安装在反射板上,制作了一副双极化偶极子天线。经过实验验证,设计的天线样品具有优越的性能,从而验证了该天线应用于基站的潜力。

关键词：宽带天线基站天线多模谐振扇形偶极子双极化

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基于模式融合的圆极化天线研究与设计

基于模式融合的圆极化天线研究与设计

作者：张洪铖西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线通讯系统朝着更高频带快速发展,宽带天线的设计在近几年中受到了越来越多的关注,并且宽带天线的设计方法具有良好的通用性。众所周知,基于行波天线和自补天线的设计是一种行之有效的展宽天线带宽的方法,然而在这些设计中,通常... 详细信息

随着无线通讯系统朝着更高频带快速发展,宽带天线的设计在近几年中受到了越来越多的关注,并且宽带天线的设计方法具有良好的通用性。众所周知,基于行波天线和自补天线的设计是一种行之有效的展宽天线带宽的方法,然而在这些设计中,通常只有主模式被激发出来用于辐射,从而使天线的带宽受到限制。随着多模谐振思想的提出,一种新的设计理念,即“模式融合”的思想被提出,该设计方法中除了使主模式用于辐射以外,其他的高阶模式也都用来辐射,从而进一步展宽了天线的带宽,可以看到该方法对未来的宽带高性能天线具有重要的指导意义。本文基于多模谐振思想设计了三款天线,具体内容如下:1.设计了一种基于高阶模的圆极化天线,通过加载缝隙以及金属短路柱将三个模式的谐振频率重新分配在一起展宽天线带宽,利用等效磁流方法分析了天线的圆极化形成机理,其3d B轴比带宽在3.65GHz-3.9GHz范围内。不同于传统的利用一对简并模形成圆极化特性的天线,该天线利用了三个相互正交的非简并模从而实现圆极化。2.设计了一种基于多模谐振的宽带圆极化天线,通过加载不同形式的寄生单元,从而引进了两个新的谐振模式并产生了两个轴比极小点,该3d B轴比带宽在2.16GHz-2.45GHz范围内,且在其工作频带内的增益最大值为9.19d Bi。3.设计了一种基于双模谐振且方向图可塑的天线单元,通过加载矩形槽使得TM模式的方向图由传统的非宽边辐射特性转变为宽边辐射特性,并且引入了一个新的谐振模式,即TM模式,利用金属短路柱以及四个环形槽将两个模式的谐振频率合并在一起进而展宽天线带宽。在天线单元的基础上设计了一款2×2的圆极化天线阵列,其在4.64GHz-5.32GHz频率范围内,满足|S|<-10d B,峰值增益达9.87d Bi,3d B轴比带宽为8.7%。

关键词：多模谐振微带天线圆极化宽带