圆极化天线及其与近场耦合天线共孔径的研究

摘要

无线通信技术的不断进步推动着无线通信设备向高性能、集成化、多用途方向发展，这对位于无线通信系统前端的天线提出了更高的要求。作为天线领域的重要分支，圆极化天线以其突出的性能广泛应用于卫星导航系统、射频识别技术等领域中。针对无线通信技术对圆极化天线的不同要求，本论文围绕圆极化天线在宽角度低轴比、小型化、多频带、宽带和全向性方向图等方面进行了深入研究，并结合无线通信设备在有限空间内集成更多功能的发展趋势，对具有不同特性的圆极化天线与近场耦合天线共孔径展开研究分析，主要创新性研究成果概括如下: 1.提出通过开槽和加载耦合短路贴片同时实现小型化和展宽轴比波瓣宽度的新方法，成功研制了具有宽角度低轴比特性的紧凑型圆极化微带天线，天线在整个上半空间内的轴比均低于3dB，具有良好的圆极化辐射特性，同时针对天线轴比波瓣宽度对频率敏感的问题提出了改进方案，使得天线带宽得到显著展宽，且在整个工作频带内的3-dB轴比波瓣宽度均大于120°。 2.提出基于平面倒F结构的圆极化四臂螺旋天线的新型低剖面小型化技术，通过弯折天线臂和增强臂间耦合，有效地减小了天线平面尺寸，克服了传统四臂螺旋天线体积大、绕制加工复杂的缺点，并基于背靠背微带线结构设计了一款小型化一分四双层馈电网络，成功研制了一款应用于卫星导航系统的小型化双频圆极化四臂螺旋天线。与已发表的同类型天线相比，所研制的天线在小型化和电性能两方面都具有显著的优越性。 3.针对圆极化天线同时实现全向圆极化和边射圆极化辐射特性的技术难题，提出采用贴片对旋转对称分布的弯折振子耦合馈电的新方法，激励弯折振子产生全向圆极化方向图并实现阻抗匹配，克服了传统方案需要附加馈电网络的局限性，通过在贴片上开U形槽以激励边射圆极化方向图，同时保持全向圆极化模式不受影响，成功研制了一款全向/边射双频圆极化天线。这款天线结构紧凑，仅需要一个馈电端口即可同时实现全向/边射圆极化辐射特性和独立可调的双频谐振特性。 4.针对无线通信设备对13.56/900MHz多功能天线的需求，提出宽带圆极化天线与近场耦合天线共孔径、共结构的新设计，巧妙地通过在开口环天线中引入闭合线圈结构，解决了圆极化平面天线集成近场耦合功能的难题，同时将天线的阻抗和轴比带宽分别展宽至32.2％和25.6％，使该天线同时满足超高频射频识别(UHF-RFID)对宽带圆极化特性和近场通信(NFC)对高效、稳定的传输效率的需求，具有很强的通用性和兼容性。与已发表文献相比，该天线的电性能具有显著优势。 5.基于前面提出的圆极化天线与近场耦合天线共孔径的新设计，通过在非对称环形圆极化天线中引入等效开口环结构，在两个频段激励起旋向相反的圆极化模式，进一步丰富了天线功能，满足了全球卫星导航系统(GNSS)对双频双旋向圆极化特性的需求，同时在天线结构中使线圈面积最大化以提高近场耦合通信效率，成功研制了一款双频圆极化/近场耦合共孔径天线。该天线具有多用途、低剖面、易于加工等优点，不仅显著缩小了天线所占空间，还减少了天线数量，从而大幅度降低多功能无线通信设备的复杂度和成本。

目录

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摘要

图表目录

1绪论

1．1研究背景及意义

1．2满足不同要求的圆极化天线研究现状

1．2．1宽角度低轴比圆极化天线

1．2．2双频及多频圆极化天线

1．2．3全向圆极化天线

1．2．4全向／边射圆极化天线

1．3兼具远场通信和近场通信功能的双频天线研究现状

1．4主要内容与章节安排

2紧凑型宽角度低轴比圆极化天线研究

2．1引言

2．2紧凑型宽角度低轴比圆极化微带天线

2．2．1天线结构与基本参数

2．2．2轴比波瓣宽度展宽和结构小型化的设计方法

2．2．3天线参数分析

2．2．4测试与结果讨论

2．3紧凑型宽角度低轴比圆极化天线改进方案

2．3．1改善轴比带宽的双馈天线设计

2．3．2测试与结果讨论

2．4天线性能比较

2．5本章小结

3小型化双频圆极化天线研究

3．1引言

3．2小型化双频圆极化四臂螺旋天线

3．2．1天线结构与基本参数

3．2．2双频特性和结构小型化的设计方法

3．2．3基于背靠背微带线结构的小型化馈电网络设计

3．3天线测试与结果讨论

3．3．1测试结果分析

3．3．2性能比较

3．4本章小结

4全向／边射双频圆极化天线研究

4．1引言

4．2全向／边射双频圆极化微带天线

4．2．1天线结构与基本参数

4．2．2天线演变过程

4．2．3工作原理与参数分析

4．2．4天线极化和频率特性拓展研究

4．3天线测试与结果讨论

4．3．1测试结果分析

4．3．2性能比较

4．4本章小结

5宽带圆极化／近场耦合共孔径天线研究

5．1引言

5．2宽带圆极化／近场耦合共孔径天线设计

5．2．1天线结构与基本参数

5．2．2 UHF／HF双工器设计

5．2．3共孔径天线演变过程

5．3宽带圆极化／近场耦合共孔径天线工作原理与参数分析

5．3．1 UHF频带

5．3．2 HF频带

5．4天线测试与结果讨论

5．4．1测试结果分析

5．4．2性能比较

5．5本章小结

6双频圆极化／近场耦合共孔径天线研究

6．1引言

6．2双频圆极化／近场耦合共孔径天线设计

6．2．1天线结构与基本参数

6．2．2远场通信／近场通信双工器设计

6．2．3共孔径天线演变过程

6．3双频圆极化／近场耦合共孔径天线工作原理与参数分析

6．3．1远场通信

6．3．2近场通信

6．4天线测试与结果讨论

6．4．1远场通信

6．4．2近场通信

6．4．3性能比较

6．5本章小结

7全文总结和展望

7．1全文总结

7．2展望

致谢

参考文献

附录