车载、机载及无线移动通信天线的研究

摘要

当今，无线通信技术已经渗透到人们生活的方方面面。天线，作为无线通信系统最重要的部件之一，直接影响着整个无线系统性能的优劣。不同的应用场景对天线的电性能、外观结构等要求也各不相同。本文主要针对与人们生活紧密相关的汽车、飞机以及无线移动通信这三种场景下天线设计现存的难题进行研究。根据不同安装环境下天线的要求，设计了适用于这三种场景的多款天线，并开发了一款软件平台。
　　具体来说，本文的主要工作包括以下几个方面：
　　1.设计了三种车载天线。第一种车载天线为自匹配单极子天线，通过将匹配结构设计在天线的辐射体上，结合使用差分进化算法和自适应协方差矩阵进化算法优化匹配结构的尺寸，在保持天线纤细紧凑的结构的基础上展宽了单极子带宽；第二种车载天线为宽带宽波束卫星通信圆极化天线，通过使用终端开路容性金属片来展宽交叉折叠偶极子的带宽，使用一个宽带的90°功分网络在宽频带范围内实现圆极化；第三种车载天线为高增益加载天线，在设计天线时将真实车体与天线模型结合进行一体化仿真，通过使用电抗加载和优化算法结合的方法改善车体对天线的电压驻波比和方向图的影响，使天线水平面内增益达到最优。
　　2.设计了两种机载天线。第一种机载天线为小型化单频/双频的圆环缝隙天线，通过将匹配结构折叠在天线地板的背面从而减小了天线的尺寸，通过调节天线的匹配结构实现单频/双频特性，通过将天线边缘短路接地使得天线对周围环境不敏感，这种天线适合无缝嵌入于金属机身的小型无人机；第二种机载天线为低轮廓集成介质波导多喇叭全向天线，这种天线使用集成介质波导技术，有易于集成、成本低、低剖面等优点。论文还研究了不同喇叭个数、不同匹配方法对这类天线的电压驻波比和方向图性能的影响，这类天线适合应用于非金属机身的小型无人机。
　　3.设计了两种无线移动通信天线。首先针对室内信号质量差的问题设计了两个可用于2G/3G/4G无线移动通信的室内分布天线：可实现方向图分集的室内分布系统天线和可同时实现方向图、极化分集的室内分布系统天线，这两个天线都是由多天线组成的集成天线，巧妙的解决了集成天线“电缆线穿心”的难题，具有占用空间小、可良好覆盖天花板下方半空间的优点；然后针对无线移动通信信号回传难的问题设计了高增益开关寄生阵列天线，这种天线增益高，波束可切换，水平面360度全覆盖，且容易实现电下倾，有望解决现代城市无线信号回传的难题。
　　4.研发了基于C++语言的大规模阵列天线仿真平台。该平台主要针对5G大规模阵列天线仿真需要超高配置的硬件、仿真费时费力、设计天线难的问题，可实现大规模阵列天线的快速分析与优化功能。用户可使用该平台“一键式”完成 HFSS建模；更为重要的是，该平台提出了一种新颖的阵列快速计算的近似方法，该方法误差很小，大大节省了仿真所用的时间、降低了所需的硬件设施的配置。此外，该平台还通过使用差分进化算法对阵列天线馈电幅度和相位的优化，实现了波束的赋形功能。用户仅需输入所需的方向图模板，优化软件根据模板和单元方向图数据就可以优化出所需的波束形状以及馈电幅度和相位；最后，该平台提供计算分析各项移动通信天线常用参数的功能，以便用户与行业标准进行对比，判定天线性能的优劣，调整天线的设计参数。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究内容及主要工作

第二章 基础理论概述

2.1引言

2.2天线的分析方法

2.3天线的优化方法

2.4天线的宽带小型化设计方法

2.5本章小结

第三章 车载天线研究

3.1引言

3.2车载自匹配单极天线

3.3车载卫星通信天线

3.4车载高增益加载单极天线

3.5本章小结

第四章 机载天线研究

4.1引言

4.2机载低剖面圆环缝隙天线

4.3机载低剖面SIW全向天线

4.4本章小结

第五章 移动通信系统天线研究

5.1引言

5.2室内分布分集天线

5.3高增益开关寄生阵列天线

5.4本章小结

第六章 大规模阵列天线的快速分析和优化研究

6.1引言

6.2大规模阵列天线的快速建模

6.3大规模阵列天线的快速分析

6.4波束的赋形及优化

6.5天线性能评估

6.6本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

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