低剖面不同极化层叠微带天线技术研究

摘要

微带天线广泛用于当前无线通信系统中，具有多样结构，其中层叠微带天线可满足宽带等需求。伴随设备共形、扁平化的发展，低剖面、高性能层叠微带天线成为迫切需要。保持层叠微带天线低剖面同时，如何扩展带宽，提高增益，降低单元间互耦等问题已成为宽带层叠微带天线实用化亟待解决的关键技术及难点。为减轻人工设计负担，基于智能优化算法设计微带天线新结构是值得研究的主题。进一步，基于层叠微带天线特性研究其应用场景对改善生产生活具有重要意义。本文研究了层叠微带天线低剖面条件下的带宽扩展、极化转换、双线极化隔离等科学问题，并提出了卓有成效的解决方案。此外，通过利用智能优化算法来辅助层叠微带天线的设计与优化，得到不同极化的天线。本文主要的研究内容概括如下： 1.提出通过并联低互耦近场耦合谐振器方式扩展层叠微带天线的阻抗带宽。首先，针对层叠结构不易引入随尺寸变化的强谐振，利用层间电磁耦合和改进的SRR，设计一叠放弯折开口谐振环（Meandered Split Ring Resonator,MSRR）的双频微带天线。探索了在MSRR上加载有源变容二极管以及NICs(Negative Impedance Convertors)来扩展单频带的带宽，天线剖面高度保持在0.031λ0（λ0为中心频点对应的自由空间波长）。其次，针对层叠单元间互耦不易控制，提出两个紧挨的低互耦半圆形开口谐振环（Semicircular Split-Ring Resonators,SSRRs）并叠放在椭圆形微带天线上方，产生两个额外的谐振模式和底部激励贴片的谐振模式合并而形成宽频带，其低互耦特征主要归因于谐振环中引入的正交结构。天线进行了加工并实测。相较于没有叠放SSRRs的单层微带天线，其分数带宽约有5倍扩展。与同类天线相比，该天线具有紧凑、低剖面特点。 2.提出通过层叠由两串联谐振器组成线-圆极化转换器方式实现低剖面圆极化层叠微带天线，以满足目标探测应用。大多数天线加载周期结构的圆极化器不易获得低剖面，尝试在单层线极化椭圆形微带天线上方叠放由双半圆形开口环（Dual Semicircular Split-Ring Resonators,DSSRs）组成的圆极化器。由于良好的对称性，反偏DSSRs底端裂口，可得到阻抗、轴比、增益、效率频率响应相同的左旋和右旋圆极化天线。其圆极化特性主要利用整体近似椭圆的DSSRs本身包含简并正交模。利用层叠寄生单元与激励单元间强容性耦合使天线保持了低剖面和扩展的轴比带宽。天线完成了实测。相比单层椭圆形微带天线，其轴比带宽、增益都有所提高以满足更远距离探测。天线剖面高度为0.063λ0，约为同类天线最低值的1/2，而轴比带宽更宽。依据左、右旋圆极化天线相等的频率响应，由两者组合可用于能探测目标周围环境特征的无线目标探测、无芯RFID等应用中。 3.提出在叠层嵌入一种亚波长结构实现低剖面宽带双线极化层叠微带天线的设计方法。主要利用层叠结构改善双线极化微带天线带宽等性能（而通常的方法主要是借助馈电层），将所设计的天线叠放两层贴片，其中顶层为2?2寄生贴片。通过在贴片中蚀刻不同的槽来改善天线阻抗匹配和保持良好隔离度性能，层叠的互补开口环（Stacked Complementary Split-Ring Resonators，SCSRRs）嵌入在层叠贴片中以利用其可能的超材料特性。所叠放的结构可产生额外的三个双线极化谐振以扩展带宽。调节SCSRRs的尺寸，可调节天线阻抗匹配及端口隔离度，且表现出微弱左手材料特性能提升天线增益。利用叠层/贴片间容性耦合使天线保持了低剖面。实测表明天线分数工作带宽6.6%(2.34GHz-2.5GHz)，其空气隙厚度保持在极低水平为0.02λ0，对天线低剖面特征（0.048λ0）有重要影响。与同类天线相比，剖面高度接近情形下，所提出天线具有相近的隔离度及更宽的工作带宽。 4.提出一种结合模拟退火（Simulated Annealing,SA）算法设计双层微带天线层叠寄生单元枝节结构的设计方法，得到宽带且具有不同极化特性的天线，并进一步探究了将所设计的天线组成MIMO阵用于室内定位。所设计的天线包含一刻有开口环形槽的方形激励贴片和叠放于其上方的寄生开口谐振环（Parasitic Split Ring Resonator，PSRR）。针对大多数算法用于天线设计主要是优化已知的天线结构及性能，尝试利用算法自主得到天线的新结构。设计过程在SA控制下，在PSRR裂口附近放置小矩形片以构成枝节，依据计算得到的天线的反射系数|S11|，进行判断与选择，使处理过程逐步聚焦，使天线产生三个频率接近的谐振模式且阻抗匹配良好。进一步的优化得到最终的Z形和台阶形枝节天线，其枝节结构通过电磁耦合影响整个天线性能，其中Z枝节天线为左旋圆极化的，台阶形枝节天线为线极化的。Z形和台阶形枝节天线进行了加工和测试。进一步将两者组成MIMO天线系统，表现出较低的ECC值，能获得更高的信道容量。

目录

第一个书签之前