線的研究與設(shè)計陳潔基于ADS的陣列天線的研究與設(shè)計

1、目錄目 錄中 文 摘 要IABSTRACTII第一章 緒論11.1 研究背景與意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排7第二章 基于ADS的單頻陣列天線92.1 引言92.2 單頻縫隙陣列天線92.3 基于ADS的單頻陣列天線122.3.1 天線設(shè)計122.3.2 解耦機理132.3.3 參數(shù)分析152.3.4 仿真和測量結(jié)果172.4 本章小結(jié)19第三章 基于ADS的雙頻陣列天線203.1 引言203.2 雙頻單極子陣列天線203.3基于ADS的雙頻陣列天線233.3.1 天線設(shè)計233.3.2 解耦機理253.3.3 參數(shù)分析263.3.4 仿真和測量結(jié)果283.4

2、本章小結(jié)31第四章 基于ADS的寬帶陣列天線324.1 引言324.2 寬帶單極子陣列天線324.3基于ADS的寬帶陣列天線354.3.1 天線設(shè)計354.3.2 解耦機理374.3.3 參數(shù)分析384.3.4仿真和測量結(jié)果404.4 本章小結(jié)42第五章 總結(jié)與展望44參考文獻45攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果及參與的科研項目53致謝54個人簡況及聯(lián)系方式55承 諾 書56學(xué)位論文使用授權(quán)聲明57ContentsContentsChinese AbstractIABSTRACTIIChapter 1 Introduction11.1 Background and Significance of

3、 the Study11.2 Research Status at Home and Broad11.3 Main work and Structure Arrangement7Chapter 2 Single Band Array Antenna Based on ADS92.1 Introduction92.2 Single Band Slot Array Antenna92.3 Single Band Array Antenna Based on ADS122.3.1 Antenna Design122.3.2 Decoupling Mechanism132.3.3 Parameter

4、Analysis152.3.4 Simulated and Measured Results172.4 Conclusion19Chapter 3 Dual Band Array Antenna Based on ADS203.1 Introduction203.2 Dual Band Monopole Array Antenna203.3 Dual Band Array Antenna Based on ADS233.3.1 Antenna Design233.3.2 Decoupling Mechanism253.3.3 Parameter Analysis263.3.4 Simulate

5、d and Measured Results283.4 Conclusion31Chapter 4 Broadband Array Antenna Based on ADS324.1 Introduction324.2 Broadband Monopole Array Antenna324.3 Broadband Array Antenna Based on ADS354.3.1 Antenna Design354.3.2 Decoupling Mechanism374.3.3 Parameter Analysis384.3.4 Simulated and Measured Results40

6、4.4 Conclusion42Chapter 5 Summary and Prospect44Reference45Research Achievements During the Master Period53Acknowledgemant54Personal Profiles55Letter of Commitment56Authorization Statement57中文摘要中 文 摘 要天線是無線通信系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。陣列天線具有高增益、低旁瓣、波束控制等特性，因此得到了廣泛應(yīng)用。然而，天線單元間的互耦會導(dǎo)致陣列天線方向圖旁瓣電平升高以及增益降低等問題，因此在陣列天線設(shè)計中

7、，必須要降低天線單元之間的互耦。傳統(tǒng)的降低天線單元之間互耦的方法有采用缺陷地結(jié)構(gòu)、加載諧振器以及中和線等，這些方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常只適用于窄帶天線，而且難以應(yīng)用到大規(guī)模陣列中。陣列天線解耦表面(ADS)是一種新的解耦方法，具有保持原始天線單元的輻射特性和匹配條件，寬帶解耦，易于設(shè)計的優(yōu)點，適用于大規(guī)模陣列。本文的主要內(nèi)容如下：1. 設(shè)計了一種基于ADS的單頻縫隙陣列天線。在接地板上刻蝕長度為半波長的彎折形縫隙產(chǎn)生一個2.4 GHz的諧振。ADS由四組金屬反射貼片組成，用來降低單元間的互耦。結(jié)果表明，天線的相對帶寬為7.7%，單元之間的隔離度大于15 dB，天線具有良好的輻射特性。2. 設(shè)計了一種

8、基于ADS的雙頻單極子陣列天線。天線的輻射單元由兩個弧形條帶組成，較長的弧形條帶實現(xiàn)低頻，較短的弧形條帶實現(xiàn)高頻。ADS包括四組金屬條帶，每組條帶由對稱放置的長條帶和短條帶組成。長金屬條帶減小低頻處的互耦，短金屬條帶降低高頻處的互耦。結(jié)果表明，天線兩個頻帶的相對帶寬分別為5.2%和20.2%，包含WLAN的2.4-2.484 GHz和5.15-5.35 GHz工作頻段，單元間的隔離度大于15 dB，天線具有良好的輻射特性。3. 設(shè)計了一種基于ADS的寬帶單極子陣列天線。天線的輻射單元是一個圓形貼片，采用缺陷地結(jié)構(gòu)改善高頻時的輻射方向圖。ADS包含四組金屬條帶，每組金屬條帶由對稱放置的長度不同的

9、條帶組成，用來降低單元間的互耦。結(jié)果表明天線的相對帶寬為96.7%，包含WLAN和WiMAX的所有工作頻段，單元間的隔離度大于15 dB，天線具有良好的輻射特性。關(guān)鍵詞：陣列天線；互耦；陣列天線解耦表面；輻射方向圖I基于ADS的陣列天線的研究與設(shè)計ABSTRACTAntenna is an essential part of wireless communication system. The array antenna is widely applied due to its high gain, low sidelobe and beam control. However, the mut

10、ual coupling between the antenna elements will cause problems such as an increase in the sidelobe level of the array antenna pattern and a decrease in gain. Therefore, the mutual coupling between the antenna elements must be reduced in the design of array antenna. The traditional methods to reduce t

11、he mutual coupling include employing the defected ground structure, loading a resonator, loading a neutralization line, and so on. These methods are suitable for narrow band antennas and difficult to be applied for large scale array antennas because of their complicated structures. Array-antenna dec

12、oupling surface (ADS) is a new decoupling method, which has the advantages of maintaining the radiation characteristics and matching conditions of the original antenna unit, wideband decoupling, and easy to design. It is suitable for large scale arrays. The main contents of this paper are summarized

13、 as follows:1. A single band slot array antenna based on ADS is proposed. A half-wavelength bending slot is etched on the ground plane to produce a resonance at 2.4 GHz. ADS consists of four groups of metal reflection patches, which are employed to reduce the mutual coupling between the antenna elem

14、ents. The results indicate that the relative bandwidth of the array antenna is 7.7% and the isolation is grater than 15 dB. It has good radiation characteristics.2. A dual band monopole array antenna based on ADS is presented. The radiating element of the antenna consists of two arc strips. The lowe

15、r frequency is generated by the longer arc strip, and the upper frequency is produced by the shorter arc strip. ADS consists of four groups of metal strips, in which long and short strips are placed symmetrically. The mutual coupling at the lower and upper frequencies is reduced by the long and shor

16、t metal strips, respectively. The results indicate that the relative bandwidth of the antenna in two bands is 5.2% and 20.2%, which covers the 2.4-2.484 GHz and 5.15-5.35 GHz of WLAN. The isolation between the antenna elements is grater than 15 dB. Good radiation characteristics are also obtained.3.

17、 A wideband monopole array antenna based on ADS is proposed. A circular patch is used as the radiating element of the antenna, and a defected ground structure is employed to improve the radiation pattern at the upper band. ADS is composed of four groups of metal strips. Each group consists of severa

18、l strips with different lengths placed symmetrically, which are used to reduce the mutual coupling in the wideband. The results indicate that the relative bandwidth of the array antenna is 96.7%, covering the whole working band of WLAN and WiMAX. The isolation between the elements is grater than 15

19、dB, and the antenna exhibits good radiation characteristics.Key words: Array antenna; Mutual coupling; Array-antenna decoupling surface; Radiation patternIII第一章 緒論第一章 緒論1.1 研究背景與意義隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，對天線的輻射效率和增益的要求越來越高，由于陣列天線可以實現(xiàn)提高增益、增強方向性、提高輻射效率、降低副瓣、形成賦形波束和多波束等特性，陣列天線越來越多地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，不論是軍事領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域，其發(fā)展都

20、與陣列天線息息相關(guān)。陣列天線技術(shù)在提高天線增益、改善天線輻射性能方面具有顯著的優(yōu)越性，對于提高通信系統(tǒng)性能具有深遠(yuǎn)的意義1-9。然而，天線單元間的互耦會使天線性能惡化，消除互耦是一個必須解決的問題。降低互耦可以提高系統(tǒng)的信噪比，降低動態(tài)反射系數(shù)，提高單元天線的增益，提高多波束性能。由于空間限制，難以通過增加天線單元之間的間隔來減少互耦效應(yīng)，因此常在陣列天線中采用解耦技術(shù)10-18。傳統(tǒng)的降低天線單元之間互耦的方法有采用缺陷地結(jié)構(gòu)、解耦網(wǎng)絡(luò)、加載諧振器以及中和線等。常用的解耦技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常只適用于窄帶天線，而且難以應(yīng)用到大規(guī)模陣列中。陣列天線解耦表面(ADS)是一種新的解耦方法，具有保持原始

21、天線單元的輻射特性和匹配條件，寬帶解耦，易于設(shè)計的優(yōu)點，可以消除天線單元間的耦合，適用于具有各種天線形式的大規(guī)模陣列。因此，研究和設(shè)計陣列天線解耦表面，具有顯著的現(xiàn)實意義以及廣闊的應(yīng)用前景。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀根據(jù)改善天線單元之間隔離度的方法，陣列天線可以分為七類：基于缺陷地結(jié)構(gòu)(DGS)的陣列天線、基于解耦網(wǎng)絡(luò)的陣列天線、基于電磁帶隙(EBG)的陣列天線、基于寄生單元的陣列天線、基于諧振器的陣列天線、基于中和線的陣列天線以及基于ADS的陣列天線。(1) 基于缺陷地結(jié)構(gòu)的陣列天線缺陷地結(jié)構(gòu)可以看作接地板上的濾波器，能夠濾除接地板上天線單元間的表面電流，提高天線的隔離度19。文獻20設(shè)計了一種

22、具有缺陷地結(jié)構(gòu)的陣列天線，在相鄰的陣列單元之間采用緊湊的啞鈴形缺陷地結(jié)構(gòu)，通過抑制表面波減少單元間的互耦，單元間距為0.470。結(jié)果表明，在天線的工作頻率處，單元之間的互耦降低了35.6 dB。文獻21設(shè)計了一種四單元貼片陣列天線，在接地板上刻蝕T形縫隙和矩形縫隙，用來降低陣列天線單元之間的互耦。使用缺陷地結(jié)構(gòu)后，單元間互耦最大降低了14.4 dB。文獻22采用交替方向S形缺陷地結(jié)構(gòu)(ADS-DGS)設(shè)計了一種二單元低互耦陣列天線，結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，由兩個尺寸相同的矩形貼片和一對刻蝕在接地板上的ADS-DGS組成，在接地板上刻蝕ADS-DGS減少兩個天線單元間的電流干擾。該缺陷地結(jié)構(gòu)可以在天

23、線的工作頻帶上降低30 dB的互耦。文獻23提出了一種使用缺陷地結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高隔離度的多輸入多輸出天線。缺陷地結(jié)構(gòu)由在接地板上刻蝕彎折的縫隙形成，通過抑制表面波降低單元間的互耦，由-11.1 dB降低到-15.5 dB。文獻24提出一個使用缺陷地結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙頻解耦的二元縫隙多輸入多輸出天線，在接地板上刻蝕一個寬縫隙和一對窄縫隙，這些縫隙擾亂了接地板的表面電流分布和端口間的路徑長度，使端口間的電磁耦合減小，因此實現(xiàn)良好的隔離度。寬縫隙用于降低高頻處的互耦，寬縫隙和一對窄縫隙共同用于減小低頻處的互耦。圖1.1 使用缺陷地結(jié)構(gòu)的貼片天線陣列22(2) 基于解耦網(wǎng)絡(luò)的陣列天線解耦網(wǎng)絡(luò)是指在天線端口間添加由電

24、路元件或者微帶線組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從網(wǎng)絡(luò)分析的角度看，解耦網(wǎng)絡(luò)的實質(zhì)是使天線單元間的互阻抗為零，以降低單元間的互耦25。趙魯豫教授于2014年首次提出了一種利用耦合諧振器解耦網(wǎng)絡(luò)(CRDN)對寬帶天線進行解耦的概念，設(shè)計了基于CRDN的陣列天線2626，天線結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。通過在兩個緊密放置的天線單元中增加一個耦合諧振器解耦網(wǎng)絡(luò)增加隔離度。結(jié)果表明所提出的CRDN方案可以顯著提高輻射效率，減少相關(guān)性，改善信道容量，適用于對稱和非對稱陣列。文獻27設(shè)計了一種使用緊湊的雙頻帶CRDN的陣列天線。CRDN由一對雙頻帶開口諧振環(huán)組成。通過適當(dāng)設(shè)計兩對耦合諧振器之間的耦合系數(shù)，可以同時有效地減少兩個頻

25、帶內(nèi)的互耦。該方案易于在集成設(shè)備中實現(xiàn)，并且對實際的MIMO應(yīng)用非常有吸引力。文獻28設(shè)計了一種使用解耦饋電網(wǎng)絡(luò)的二元陣列天線，解耦網(wǎng)絡(luò)由兩個定向耦合器和兩條傳輸線組成，通過連接兩個耦合器，引入了具有幅度和相位受控的間接耦合，可抵消陣列天線單元間的空間波和表面波引起的直接耦合，在中心頻率處的互耦降低到了-58dB以下，同時對回波損耗和輻射方向圖的影響很小。（a）解耦前 （b）解耦后圖1.2 使用雙頻耦合諧振器解耦網(wǎng)絡(luò)的天線陣列26(3) 基于電磁帶隙結(jié)構(gòu)的陣列天線由于電磁帶隙結(jié)構(gòu)(EBG)具有電磁波頻率帶隙特性，能夠有效抑制表面波，從而提高天線的隔離度29。文獻30設(shè)計了一種背腔陣列天線，EB

26、G可以抑制E面的TM表面波，降低60 GHz處兩個緊密放置的背腔天線單元之間的相互耦合。結(jié)果表明57-66 GHz頻段上的互耦降低了2.1-4 dB。文獻31設(shè)計的陣列天線，使用蘑菇狀電磁帶隙結(jié)構(gòu)來減少孔徑耦合微帶天線單元之間的表面波耦合。在孔徑耦合微帶天線中，EBG結(jié)構(gòu)可以與天線的介質(zhì)集成而不會干擾饋電網(wǎng)絡(luò)。通過一排EBG結(jié)構(gòu)，諧振頻率處的互耦降低了16.4 dB。文獻32設(shè)計了一種緊湊的貼片天線陣列，天線結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。該陣列使用一排EBG結(jié)構(gòu)和接地板上的三個十字縫隙作為解耦結(jié)構(gòu)，位于兩個輻射貼片之間。與傳統(tǒng)的蘑菇狀EBG結(jié)構(gòu)相比，該天線提出的沒有過孔的EBG結(jié)構(gòu)更容易制造。文獻33設(shè)

27、計了一個超寬帶平面單極天線陣列，提出了新型的小型化雙層EBG結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用兩個緊密耦合的陣列，一個由線性導(dǎo)電貼片組成，另一個由接地板的縫隙組成。這兩個陣列印刷在非常薄的介質(zhì)的兩側(cè)，在兩個導(dǎo)電層之間會出現(xiàn)強電場，相當(dāng)于高電容?？p隙相對于導(dǎo)電貼片旋轉(zhuǎn)，以使耦合和等效電容最大化。文獻34介紹了一種采用EBG結(jié)構(gòu)的低互耦MIMO天線，天線陣列由介質(zhì)基板上的兩個矩形貼片天線和三個EBG單元組成。EBG結(jié)構(gòu)位于兩個天線單元之間，由典型的蘑菇狀EBG結(jié)構(gòu)加載縫隙演變而來，具有高阻抗表面形成表面波頻帶隙，可以降低MIMO天線的互耦效應(yīng)，使天線具有較高的隔離度。 （a）正視圖 （b）底視圖（c）側(cè)視圖圖1.3

28、 使用電磁帶隙結(jié)構(gòu)的貼片天線陣列32(4) 基于寄生單元的陣列天線天線中加載寄生單元引入新的耦合路徑，與天線單元之間的耦合路徑方向相反，可以抵消部分互耦，從而達到提高天線單元之間隔離度的目的。文獻35設(shè)計了一個用于5 GHz WLAN接入點的六端口MIMO天線系統(tǒng)，由帶狀線饋電的孔徑耦合微帶天線作為天線單元，三個垂直極化天線單元和三個水平極化天線單元交替安裝在六角錐形金屬結(jié)構(gòu)上，兩個寄生凹槽對稱地加載在每個單元兩側(cè)，以提高隔離性能。測量結(jié)果表明，在工作頻帶內(nèi)，系統(tǒng)的任何兩個單元之間均可獲得超過45 dB的隔離度。文獻36設(shè)計了一個貼片天線陣列，結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。寄生單元由兩個簡單的微帶線組成

29、，分別位于天線的兩側(cè)，通過兩個寄生單元引入額外的耦合，圖1.4 使用寄生單元的貼片天線陣列36以抵消兩個貼片天線間的直接耦合改善隔離。結(jié)果表明，兩個天線之間的隔離度大于20 dB。文獻37設(shè)計了一種四元單極子陣列天線，在天線單元之間插入寄生單元。對于給定的陣列單元間距，通過適當(dāng)選擇寄生單元的尺寸和位置，可以在更寬的頻帶范圍內(nèi)降低單元互耦。(5) 基于諧振器的陣列天線引入諧振器可以產(chǎn)生間接耦合場，與天線單元間的耦合場互相抵消降低互耦。文獻38設(shè)計了平面單極子陣列天線，在兩個天線單元之間放置嵌套的開口諧振環(huán)(SRR)和一維電磁帶隙(1-D EBG)結(jié)構(gòu)。EBG結(jié)構(gòu)分為兩列，每列具有8個周期單元，兩

30、個SRR嵌套放置在兩列EBG結(jié)構(gòu)之間。SRR和EBG結(jié)構(gòu)分別用作陷波器和反射器，單元間的互耦減少了超過42dB。文獻39提出一種多頻帶四端口分集天線，天線單元是加載L形枝節(jié)的彎折形單極子天線，開口諧振環(huán)加載于單元的一側(cè)，結(jié)果表明單元之間的隔離度均大于22 dB。文獻40設(shè)計了一個貼片天線陣列，結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。在兩個貼片之間放置一個縫隙彎折線諧振器(SMLR)，抑制了諧振頻率處的表面電流，將隔離度提高了16 dB。文獻41設(shè)計了一種二元平面倒F天線，天線單元之間的諧振器增加一條新的耦合路徑，結(jié)果表明單元之間的隔離度增加了22 dB。文獻42設(shè)計了一個微帶貼片陣列天線，在兩個單元之間插入一對平

31、行耦合線諧振器(PCR)，每個PCR由三條耦合線組成，結(jié)果表明單元之間的隔離度大于20 dB。文獻43設(shè)計了一個微帶貼片陣列天線，插入天線單元之間的非對稱共面條帶(ACPS)壁引入了額外的電流路徑，從而實現(xiàn)隔離改善，天線的隔離度大于35 dB。文獻44設(shè)計了一個貼片陣列天線，在天線單元之間采用耶路撒冷十字周期結(jié)構(gòu)作為FSS減少單元間的互耦。測量結(jié)果表明單元間的隔離度改善了16 dB。 （a）天線結(jié)構(gòu) （b）諧振器結(jié)構(gòu)圖1.5 使用諧振器的貼片天線陣列40(6) 基于中和線的陣列天線中和線連接兩個天線單元，當(dāng)激勵其中一個天線單元時，會有部分電流通過中和線流入另一個天線單元，如果這一部分電流和兩個

32、單元間的耦合電流方向相反，那么可以部分抵消兩個天線單元的耦合，從而提高兩個天線單元間的隔離度45。文獻46設(shè)計了一種緊湊的超寬帶多輸入多輸出天線，天線結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。用中和線連接兩個天線單元，中和線位于接地板的上方，由兩個金屬條帶和一個金屬圓盤組成，在中和線的金屬圓盤上刻蝕圓形縫隙，可以將最高解耦頻率降低到5GHz。天線單元之間的隔離度大于22 dB。文獻47提出了一種用于智能手機的雙天線系統(tǒng)，天線單元由一個驅(qū)動枝節(jié)和一個寄生接地枝節(jié)組成，產(chǎn)生一對諧振。使用兩條交叉的中和線減少兩個間隔緊密的天線單元間的互耦。圖1.6 使用中和線的單極子天線陣列46(7) 基于ADS的陣列天線上述幾種解耦方

33、法通過引入隔離結(jié)構(gòu)，均可以有效地將單元之間的隔離度提高到15 dB以上。其中，解耦網(wǎng)絡(luò)、EBG和諧振器結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，需要占用較大的空間，不利于天線的小型化；而DGS、寄生單元和中和線技術(shù)雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但是解耦效果卻不如以上幾種方法48。此外，這些解耦方法難以應(yīng)用于由數(shù)十或數(shù)百個天線單元組成的大規(guī)模天線陣列中。吳克利等人首次提出了陣列天線解耦表面(ADS)的概念，用于減少大規(guī)模陣列天線中天線單元之間的互耦。ADS由多個金屬反射片組成，放置在陣列天線前方，使得引入的部分反射波可以有效抵消耦合波，且天線單元的輻射特性及匹配條件受到的影響最小。文獻49設(shè)計了基于ADS的八單元線極化貼片陣列天線

34、，天線結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。ADS包含八組金屬反射器，每組反射器由四個金屬貼片組成，可以減小對原始陣列天線輻射方向圖的擾動。文獻50設(shè)計了基于ADS的準(zhǔn)八木陣列天線，ADS由多個金屬反射條帶組成，距離天線陣列約半波長，ADS產(chǎn)生與耦合波幅度相等相位相反的部分反射波，降低了單元之間的互耦。 （a）天線結(jié)構(gòu) （b）ADS單元圖1.7 使用ADS的貼片天線陣列481.3 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排本文主要針對大規(guī)模天線陣列單元之間隔離度的改善問題，研究了基于ADS的陣列天線，可概括為以下三個部分： （1）設(shè)計了一種基于ADS的單頻縫隙陣列天線。ADS的反射波與單元間的耦合波幅度相等、相位相反，相互抵消以

35、減小單元間的互耦。天線可以工作在WLAN的2.4-2.484 GHz，在工作帶寬范圍內(nèi)天線單元間的隔離度大于15 dB，天線具有全向輻射特性。（2）設(shè)計了一種基于ADS的雙頻單極子陣列天線。天線可以工作在WLAN的2.4-2.484 GHz和5.15-5.35 GHz兩個工作頻段，在工作帶寬范圍內(nèi)天線單元間的隔離度大于15 dB，天線具有全向輻射特性。（3）設(shè)計了一種基于ADS的寬帶單極子陣列天線。天線的帶寬覆蓋2.4-5.85 GHz，包含了WLAN和WiMAX的所有工作頻段，在工作帶寬范圍內(nèi)天線單元間的隔離度大于15 dB，天線具有全向輻射特性。本論文的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章簡要介紹了所選課

36、題的研究背景和意義，闡述了陣列天線的研究現(xiàn)狀。第二章設(shè)計了一種基于ADS的單頻縫隙陣列天線。ADS由四組金屬貼片組成，天線單元之間的隔離度大于15 dB。天線工作在WLAN的2.4-2.484 GHz。第三章設(shè)計了一種基于ADS的雙頻單極子陣列天線。ADS由四組金屬條帶組成，較長金屬條帶減小低頻處的互耦，較短金屬條帶降低高頻處的互耦。天線單元之間的隔離度大于15 dB。天線工作在WLAN的2.4-2.484 GHz和5.15-5.35 GHz。第四章設(shè)計了一種基于ADS的寬帶單極子陣列天線。ADS包含四組金屬條帶，每組金屬條帶由不同長度的條帶組成。天線單元之間的隔離度大于15 dB。天線工作在

37、2.4-5.85 GHz。第五章對全文進行總結(jié)，分析了研究中存在的問題并且確定了后續(xù)工作的研究方向。43第二章 基于ADS的單頻陣列天線第二章 基于ADS的單頻陣列天線2.1 引言通信技術(shù)的發(fā)展對天線性能提出了越來越高的要求，由于陣列天線具有高增益、高功率、低旁瓣、波束控制等特性，在無線通信、衛(wèi)星通信、氣象預(yù)測等方面得到了廣泛應(yīng)用51。在陣列天線設(shè)計中，必須要考慮天線單元之間的互耦效應(yīng)?；ヱ钚?yīng)會改變天線單元原有的電流路徑，從而改變其阻抗特性，使天線陣列的性能惡化，包括輻射方向圖失真，阻抗失配以及輻射效率降低。傳統(tǒng)的降低天線單元之間互耦的方法有采用缺陷地結(jié)構(gòu)52-54、加載諧振器55-56以及

38、中和線57-58。文獻53設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)對稱多端口天線，通過位于介質(zhì)底部的缺陷地結(jié)構(gòu)抑制相鄰天線單元之間的互耦。文獻55設(shè)計了一種二元雙頻微帶天線陣列，在天線單元之間插入一個不對稱環(huán)路諧振器減少互耦。文獻57提出了一種用于移動終端的雙天線系統(tǒng)，中和線兩端與接地板相連降低互耦。本章設(shè)計了一種基于ADS的單頻縫隙陣列天線。縫隙天線單元由微帶饋線和刻蝕有彎折形縫隙的接地板組成，ADS包括四組金屬反射器，每組反射器由四個金屬貼片組成，用來降低天線單元間的互耦。陣列天線可以工作在WLAN頻段，天線單元之間的隔離度大于15 dB，且具有良好的輻射特性。2.2 單頻縫隙陣列天線縫隙天線具有結(jié)構(gòu)簡單、易加工、

39、成本低、易于集成等優(yōu)點，在移動終端設(shè)備以及無線通信基站中得到廣泛應(yīng)用，因此本章采用縫隙陣列天線。要求設(shè)計的陣列天線工作在WLAN的2.4 GHz頻段，隔離度大于15 dB。陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，介質(zhì)基板的下表面是刻蝕有彎折形縫隙的接地板，上表面為階梯形微帶饋線。天線單元的間距為40 mm。選用相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm的FR4作為介質(zhì)基板。使用商用電磁軟件HFSS進行天線的仿真分析，優(yōu)化后的參數(shù)為：L = 55 mm, W = 40 mm, ws = 3 mm, ls = 8 mm, ws1 = 1.3 mm, ls1 = 22.9 mm, l1 = 6.4 mm, l2

40、 = 7.3 mm, l3 = 7.2 mm, g = 2.2 mm。通過對天線進行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)階梯型饋線的寬度ws1、縫隙長度lslot（lslot = l1 4+ l2 2+ l3）以及縫隙寬度g對天線性能影響較大。分析某一參數(shù)對天線性能的影響時，其它參數(shù)均保持不變。圖2.2給出了階梯型饋線的寬度ws1對反射系數(shù)(a) 側(cè)視圖 (b) 單元正視圖 (c) 單元底視圖圖2.1 天線結(jié)構(gòu)圖 圖2.2 不同ws1時的反射系數(shù) 圖2.3 不同lslot時的反射系數(shù)的影響。從圖中可以看出，采用普通微帶饋線(ws1 = 3 mm)時，天線的阻抗匹配較差，采用階梯型饋線后，天線的阻抗匹配明顯變好。隨

41、著ws1減小，天線的諧振頻率增大。當(dāng)ws1 = 1.3 mm時，天線工作在2.4 GHz頻段，阻抗匹配性能最好。圖2.3給出了縫隙長度lslot對反射系數(shù)的影響。從圖中可以看出，隨著lslot增大，天線的諧振頻率降低。為了使得天線能夠工作在2.4 GHz頻段，本章選取lslot = 47.4 mm。圖2.4給出了縫隙寬度g對反射系數(shù)的影響。從圖中可以看出，隨著g增大，天線的諧振頻率增大。當(dāng)g = 2.2 mm時，天線的阻抗帶寬包含2.4-2.484 GHz，滿足設(shè)計要求。圖2.5為仿真的天線反射系數(shù)和隔離度。由圖可見，天線四個端口的匹配良好，-10 dB阻抗帶寬為2.39-2.485 GHz(

42、相對帶寬為3.9%)，包含了WLAN的2.4 GHz工作頻段。但是相鄰天線單元間的隔離度較差，在帶寬范圍內(nèi)，單元1和2以及單元2和3之間的隔離度都小于15 dB，單元1和2之間的最小隔離度為14 dB，單元2和3之間的最小隔離度為10 dB。圖2.6給出了2.44 GHz處天線的歸一化輻射方向圖。從圖中可以看到，天線的E面方向圖呈“8”字型，H面方向圖近似全向。交叉極化小于-10 dB。激勵端口1時，天線的最大增益為2.3 dB；激勵端口2時，天線的最大增益為0.8 dB。圖2.4 不同g時的反射系數(shù) (a) 反射系數(shù) (b) 隔離度圖2.5 陣列天線的S參數(shù) (a) 激勵端口1 (b) 激勵

43、端口2圖2.6 陣列天線的輻射方向圖2.3 基于ADS的單頻陣列天線2.3.1 天線設(shè)計基于ADS的單頻陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖2.7所示，天線由三層結(jié)構(gòu)組成。下層是四單元的縫隙陣列天線，中間層是高度為H的空氣介質(zhì)，上層是陣列天線解耦表面(ADS)。ADS由四組金屬反射器組成，每組反射器包含三個金屬貼片。ADS的引入可以使反射貼片的反射波與單元間的耦合波幅度相等，相位相反，達到相互抵消的目的，從而減小單元間的互耦。兩層介質(zhì)基板均選用相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.6 mm的FR4，空氣介質(zhì)的厚度H為20.9 mm。金屬貼片參數(shù)為：lp = 16 mm, wp = 20 mm, d1 = 2 mm。圖

44、2.8為仿真的天線反射系數(shù)和隔離度。從圖中可以看出，天線工作在WLAN的2.4 GHz頻段。引入ADS前，天線的-10 dB阻抗帶寬為3.9%（2.39-2.485 GHz），相鄰天線單元間的隔離度較差。引入ADS后，帶寬增加到7.7%（2.345-2.533 GHz）。在工作頻段范圍內(nèi)，單元1和單元2間的隔離度從14 dB增加到16 dB，單元2和單元3間的隔離度從10 dB增加到17 dB，單元1和單元3間的隔離度從21 dB增加到22 dB。綜上所述，引入ADS后陣列天線在工作頻段范圍內(nèi)單元間的隔離度均大于16 dB。(a) 側(cè)視圖(b) 俯視圖圖2.7 天線結(jié)構(gòu)圖(a) 單元1和2 (

45、b) 單元2和3(c) 單元1和3 (d) 單元1和4圖2.8 陣列天線的S參數(shù)2.3.2 解耦機理ADS的引入是為了使反射貼片的反射波與單元間的耦合波幅度相等、相位相反，相互抵消使互耦減小。反射貼片的尺寸決定反射波的幅度，空氣介質(zhì)的厚度決定反射波的相位。理論上，貼片的長度約為工作波長的四分之一，空氣介質(zhì)的厚度小于半波長。為了說明反射貼片的尺寸對解耦性能的影響，圖2.9給出了三種ADS結(jié)構(gòu)，ADS I的每組反射器由兩個金屬貼片組成，貼片的長度為0.33 g；ADS II的每組反射器由三個金屬貼片組成，貼片的長度為0.21 g；ADS III的每組反射器由四個金屬貼片組成，貼片的長度為0.15

46、g。圖2.10是三種ADS結(jié)構(gòu)對應(yīng)的隔離度曲線。從圖中可以看出，貼片的長度大于四分之一波長和小于四分之一波長時，天線在工作頻帶內(nèi)都不能實現(xiàn)良好的隔離，當(dāng)貼片的長度約為四分之一波長，即采用ADS II時，可以改善工作頻帶內(nèi)的隔離度。為了進一步說明解耦機理，研究了天線的表面電流分布。圖2.11給出了激勵1端口時的表面電流分布。由圖可知，引入ADS前，有較大的電流從單元1流向單元2，引入ADS后，此時單元2附近的電流分布明顯減小，說明ADS的反射波有效地抵消了單元間的耦合波，達到了提高隔離度的目的。 (a) ADS I (b) ADS II(c) ADS III圖2.9 ADS結(jié)構(gòu)圖2.10 三種A

47、DS的隔離度 (a) 引入 ADS前 (b) 引入 ADS后圖2.11 天線表面電流分布2.3.3 參數(shù)分析通過對天線進行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)金屬反射貼片的長度lp、貼片的間距d1以及空氣介質(zhì)的厚度H對天線性能影響較大。由于相鄰天線單元之間的互耦較強，考慮到天線結(jié)構(gòu)的對稱性，重點分析各個參數(shù)對S21和S32的影響。分析某一參數(shù)對天線性能的影響時，其它參數(shù)均保持不變。（1）貼片長度的影響圖2.12給出不同貼片長度lp對隔離度和方向圖性能的影響，圖2.12(a)是lp變化時的隔離度曲線。在工作頻段內(nèi)，隨著lp的增加，單元1和2之間的隔離度S21增加；lp從15 mm增加到16 mm時，單元2和3之間的

48、隔離度S32改善，繼續(xù)增加到17 mm時，單元2和3之間的隔離度S32惡化。為了滿足設(shè)計要求單元之間的隔離度大于15 dB，選取lp = 16 mm。圖2.12(b)和(c)是lp變化時的輻射方向圖，從圖中可以看出，天線的方向圖對lp不敏感。(a) 隔離度 (b) E面方向圖 (c) H面方向圖圖2.12 不同lp時的天線隔離度和方向圖（2）貼片間距的影響圖2.13給出貼片間距d1對隔離度和方向圖性能的影響，圖2.13(a)是d1變化時的隔離度曲線。工作頻段范圍內(nèi)，隨著d1的增加，單元1和2之間的隔離度S21均大于15 dB；d1從1.5 mm增加到2 mm時，單元2和3之間的隔離度S32增大

49、，d1增加到2.5 mm時，單元2和3之間的隔離度S32減小。當(dāng)d1 = 2 mm時，單元間的隔離度都大于15 dB，滿足設(shè)計要求。圖2.13(b)和(c)是d1變化時的輻射方向圖，從圖中可以看出，d1從1.5 mm增加到2 mm時，對方向圖基本沒有影響，d1增加到2.5 mm時，天線的前向輻射減小。綜合考慮S參數(shù)和方向圖，最終選取d1 = 2 mm，此時天線的隔離度和方向圖最好。 (a) 隔離度 (b) E面方向圖 (c) H面方向圖圖2.13 不同d1時天線的隔離度和方向圖（3）空氣介質(zhì)厚度的影響圖2.14給出空氣介質(zhì)厚度H對隔離度和方向圖性能的影響，圖2.14(a)是H變化時的隔離度曲線

50、，在工作頻段內(nèi)，隨著H的增加，單元1和2之間的隔離度S21增大，H從18.9 mm增加到20.9 mm時，單元2和3間的隔離度S32增大，H增加到22.9 mm時，單元2和3間的隔離度S32減小。為了滿足設(shè)計要求單元之間的隔離度大于15 dB，選取H = 20.9 mm。圖2.14(b)和(c)是H變化時的輻射方向圖，從圖中可以看出，天線的方向圖對H不敏感。(a) 隔離度 (b) E面方向圖 (c) H面方向圖圖2.14 不同H時的天線隔離度和方向圖2.3.4 仿真和測量結(jié)果天線印制在相對介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上，圖2.15給出了天線的實物圖。采用Agilent公司N5230A矢量網(wǎng)

51、絡(luò)分析儀測量天線的反射系數(shù)，采用Lab-Volt公司8092型自動天線測量系統(tǒng)測量天線的方向圖。因為天線結(jié)構(gòu)對稱，天線單元1與單元2、3和4的隔離度和天線單元4與單元3、2和1的隔離度完全相同。由于篇幅的限制，重點分析了天線單元1與2，單元1與3，單元1與4以及單元2與3的S參數(shù)。圖2.16給出了仿真和測量的天線反射系數(shù)和隔離度。從圖中可以看出，天線工作在2.4 GHz頻段，仿真和測量結(jié)果基本一致。仿真的阻抗帶寬為7.7%（2.345-2.533 GHz），單元1和單元2間的隔離度大于16 dB，單元2和單元3間的隔離度大于17 dB，單元1和單元3間的隔離度大于22 dB，單元1和單元4間的

52、隔離度大于25 dB。與仿真結(jié)果相比，測得的帶寬比較窄，隔離度略低。測量的阻抗帶寬為3.5% (2.4-2.485 GHz)，單元1和單元2間的隔離度大于15.1 dB，單元2和單元3間的隔離度大于16.6 dB，單元1和單元3間的隔離度大于20.4 dB，單元1和單元4間的隔離度大于23.6 dB。圖2.17給出了天線在引入ADS后的歸一化輻射方向圖。可以看到，天線的輻射特性基本不變，E面方向圖呈8字型，H面方向圖近似全向。激勵端口1時，天線的最大增益為4.5 dB；激勵端口2時，天線的最大增益為4.6 dB。 (a) 仰視圖 (b) 俯視圖圖2.15 天線實物圖 (a) 單元1和2 (b)

53、 單元2和3 (c) 單元1和3 (d) 單元1和4圖2.16 陣列天線的S參數(shù) (a) 激勵端口1 (b) 激勵端口2圖2.17 陣列天線的輻射方向圖2.4 本章小結(jié)本章設(shè)計了一種基于ADS的單頻縫隙陣列天線。在接地板上刻蝕一個彎折形縫隙產(chǎn)生2.4 GHz的諧振，ADS由四組金屬反射器組成，每組反射器包含三個金屬貼片。結(jié)果表明，天線工作WLAN的2.4 GHz頻段，單元之間的隔離度大于15 dB，且具有全向輻射特性，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作。第三章 基于ADS的雙頻陣列天線第三章 基于ADS的雙頻陣列天線3.1 引言近年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信要求不斷提高，雙頻段工作成為無線通信系統(tǒng)的主要

54、發(fā)展趨勢。雙頻天線可以增加信道容量，避免通信資源的浪費，節(jié)約制作成本，另外，使用雙頻天線替代多天線，避免了不同天線之間的干擾。因此，研究雙頻天線及其陣列具有顯著的意義59-60。雙頻天線通常采用刻蝕縫隙61-64和雙諧振結(jié)構(gòu)65-68實現(xiàn)。文獻61通過在貼片天線上刻蝕多個U形縫隙獲得多頻帶。文獻67設(shè)計了一個使用寄生單元的雙頻天線，位于介質(zhì)上表面的螺旋形輻射單元產(chǎn)生低頻帶，介質(zhì)下表面的寄生單元產(chǎn)生高頻帶。在雙頻天線的基礎(chǔ)上，雙頻陣列天線的研究也越來越廣泛。國內(nèi)學(xué)者提出了多種雙頻陣列天線69-75。文獻69設(shè)計了一個雙頻四單元天線系統(tǒng)，天線單元以旋轉(zhuǎn)對稱的方式放置，從而實現(xiàn)良好的隔離，不需要額外

55、的解耦結(jié)構(gòu)。文獻70設(shè)計了一個雙頻倒F型多輸入多輸出天線，在接地板上刻蝕倒T型縫隙改善低頻隔離度，加載彎折線諧振枝節(jié)改善高頻隔離度。文獻73設(shè)計了一個二元雙頻平面倒F天線，使用放置在單元之間的螺旋線和兩個接地的倒L型金屬條帶增強隔離，低頻隔離增加主要因為通過增加螺旋線形成了額外的表面電流路徑，高頻隔離增加是由于兩個倒L型結(jié)構(gòu)作為一個陷波器有效減少端口間的表面電流。文獻75設(shè)計了一個四元雙頻多輸入多輸出天線，通過天線單元旋轉(zhuǎn)對稱放置和在單元旁加載開口諧振環(huán)改善隔離度。本章設(shè)計了一種基于ADS的雙頻單極子陣列天線。輻射單元包含兩個弧形條帶，較長的弧形條帶實現(xiàn)低頻，較短的弧形條帶實現(xiàn)高頻。ADS由四組金屬反射器組成，用來降低天線單元間的互耦。陣列天線可以工作在WLAN的2.4 GHz和5.2 GHz頻段，天線單元之間的隔離度大于15 dB，具有良好的輻射特性。3.2 雙頻單極子陣列天線單極子天線具有低剖面、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工等優(yōu)點，通過采用