宽带天线和轨道角动量天线技术研究

摘要

随着现代社会的快速发展，无线通信在日常生活和工作中起到重要作用，通信容量大小和质量高低直接影响着用户体验。宽带技术作为可提升信道容量的重要手段受到广泛关注和深入研究，而现代无线通信中对宽带天线的工作带宽、辐射特性与结构尺寸都提出了很高的要求。本文从研究宽带单天线出发，拓展到宽带多输入多输出天线（MIMO）及阵列天线，并与陷波/多频/分集复用技术相结合，设计出了一系列具有小型化特性的宽带天线。此外，模分复用的轨道角动量（OAM）天线作为无线通信领域中一个新的研究热点，在本文中也进行了详细的论述与研究。这两部分内容取得的成果包括以下几点： 1.对小型化印刷宽带多频天线研究，设计了三款应用于不同通信系统的宽带天线。利用在半圆环辐射体上加载U型谐振器，能够引入“新谐振点”与“并联谐振”来间接和直接地产生阻带，从而提出对5.2/5.8GHz无线局域网（WLAN）和3.5/5.5GHz全球微波互联接入（WiMAX）频段形成陷波特性的超宽带（UWB）天线。便携式终端常采用的环形或缝隙天线具有窄带谐振特性，用其形成宽带特性时往往结构复杂、交叉极化大、全向性不佳。针对此问题设计了一种采用平面准自互补结构的宽带多模天线，通过对辐射体和金属地板进行结构调整，改善了天线阻抗匹配并引入了额外谐振点，形成了结构简单、辐射特性良好、可同时覆盖2G/3G/4G工作频带的多模式宽带天线。基于类似的设计思路，设计出了应用于WLAN/WiMAX频段的准自互补结构三频宽带天线。 2.对小型化、高隔离度、宽带MIMO天线研究，设计了两种具有宽带特性的单元天线，并依据不同的排布方式形成了三款MIMO天线。采用具有反射型金属地板与渐变式馈线的圆形单极子作为单元天线，通过水平镜像排布形成二元MIMO天线，并在金属地板上蚀刻T型缝隙，使端口间隔离度在UWB频段内高于20dB。基于相同的单元天线，通过正交排布同时在金属地板上蚀刻矩形窄缝隙构建四元MIMO天线，其端口间隔离度在低频时高于15dB，中高频时高于20dB。利用微带馈电的锥形单极子天线作为单元，通过正交镜像排布形成了具有良好极化分集特性的二元MIMO天线，在不引入去耦结构的同时，能够满足WLAN高低频带内的端口隔离度均高于20dB。 3.将紧耦合与极化分集技术相结合，对双极化紧耦合天线阵进行了研究和设计。基于阻抗匹配方程，计算出紧耦合天线阵的理想模型在不同材料和阶数时的带宽极限值。选择双极化领结型对称振子作为天线阵元，耦合电容由另一个极化的金属振子臂通过交叠方式引入。利用双层金属贴片覆层替换原有厚介质覆层，采用微带转平行双线结构对振子馈电，通过短路金属杆改善由二维周期结构产生的共模谐振。将无限周期阵列过渡到有限周期阵列，构建出4×4的双极化天线阵，并对边缘振子通过延长金属臂进行截断效应处理。设计了应用于双极化的宽带功分网络，通过微带直角变换段实现两个极化方向上的馈线结构无交叠。 4.对模态复用OAM天线展开研究，结合现有的极化分集技术，设计出了双极化多模态OAM天线阵。设计中利用圆形相位控制天线阵产生OAM波束，采用“U”和“M”型馈线激励的准十字缝隙耦合微带天线作为天线阵元，实现双极化天线单层馈电结构和高隔离度特性。为了在两个极化方向上形成不同模态的OAM波束，通过具有不同步进相移的馈电网络进行激励，并利用镜像排布法简化馈线的设计，最终在两个极化方向上激励起模态值为-1与+1的OAM波束。为了进一步提高激发OAM波束的模态值上限及改善OAM波束质量，利用多点馈电技术设计出了两款八元OAM天线阵，分别在两极化方向上激励出模态值为±1和±2的OAM波束。在此基础上对三款天线进行加工与测试，基于近场测试数据对不同阵元数和模态值的OAM波束模态纯度进行估计和分析，量化的给出OAM波束模态纯度提高情况。

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