终端天线有源与无源加载技术研究

摘要

随着通信技术的不断发展，天线作为信号发射和接收的媒介在无线通信系统中起着越来越重要的作用。终端天线是手持设备中所使用的天线的统称，而手持设备具有便携的特点，因此实现天线小型化、提高辐射效率是现阶段对终端天线的主要需求。随着理论和技术的发展，出现了很多可以优化天线的方法，其中天线加载技术在提升天线性能、缩小体积中的应用非常广泛。因此，本文主要研究了基于无源加载的RFID手持终端天线，以及基于有源Non-Foster元件加载的终端天线。 本文的主要研究内容如下： 首先，设计了一款工作于RFID中国频段（920-925MHz）的手持读写器终端天线。天线通过在金属贴片上蜿蜒开槽引导电流路径，由四个蜿蜒槽组成中心对称的四个辐射单元，通过这种结构增加辐射贴片的电流维度，增大天线前后比，提高辐射效率。使用威尔金森功分器对四个开槽单元等幅馈电，沿右旋方向相位90°滞后实现圆极化。功分器与天线单元之间由馈电壁连接，通过在馈电壁旁加载短路壁，调整天线输入阻抗。此外，通过在微带辐射贴片中心开方形槽引导电流路径，增加电流路径的长度缩小天线尺寸。 除此之外，文章还研究了Non-Foster元件加载的单极终端天线，通过电路的加载减小天线尺寸。首先设计调试一个用于手持机的单极子天线，天线长度为7cm，经测试其谐振频点为1.14GHz。测试天线的输入阻抗可以发现，天线在400-678MHz的阻抗表现小电阻大电抗，其电抗可以等效为3pF的电容。因此需要设计一个等效为-3pF的Non-Foster电路，将其与天线串联以抵消天线的容抗，实现匹配的改善。通过ADS（Agilent Advanced Design System）对电路进行设计和仿真，并将天线的S参数导入电路中进行调试，得到阻抗带宽可以满足要求的电路仿真结果。由于Non-Foster电路具有正反馈的性质，此电路具有不稳定性，因此需要进行稳定型验证和调试，通过抑制其反馈回路增益的幅度并改变其对应的相位，使环路增益不满足自激条件而趋于稳定。文中使用了三种仿真方式进行稳定型仿真，以验证电路的稳定性能。经过加工和测试，此电路满足指标要求，天线串联电路后在400-678MHz频带内满足VSWR＜3。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 研究历史与现状

1.2.1 无源加载技术研究历史与现状

1.2.2 有源Non-Foster元件研究历史与现状

1.3 本文的研究内容与结构安排

第二章 天线加载技术理论基础

2.1 无源加载技术介绍

2.2.1 Non-Foster阻抗基本原理

2.2.2 负阻抗变换器基本原理

2.2.3 负阻变换器的实现方法

2.3 本章小结

第三章 无源加载的终端天线研究

3.1 无源加载的RFID读写器终端天线设计

3.2 无源加载对天线的影响

3.2.1 开槽对天线性能的影响

3.2.2 馈电壁与短路壁对天线性能的影响

3.3 RFID读写器终端天线的加工与测试

3.4 本章小结

第四章 有源Non-Foster元件加载的终端天线研究

4.1 Non-Foster电路的仿真与分析

4.2.1 天线及电路模型的建立与仿真

4.2.2 稳定性分析与电路优化

4.3 Non-Foster电路的加工与测试

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果