无线通信终端天线多频及小型化技术研究

摘要

终端天线的多频和小型化问题是近年来的研究热点。无线通信技术的发展为天线设计提出了更高的要求，如何在有限的空间内实现宽带或多频覆盖是终端天线面对的主要问题之一，也将是未来的重要研究方向。无线通信设备的高集成化和小型化使得天线面对的电磁环境更加复杂，很多传统天线设计方法不再适用，需要寻找新的突破。本论文针对终端天线实现多频和小型化过程中面对的一系列技术问题，从天线基本原理出发寻找新的设计方法，并提供切实可行的解决方案。此外，本文对可重构技术和人工磁导体开展研究并加以创新，将其特有的工作特性应用于终端天线中，以满足不同场景对辐射性能的需求。本论文研究内容主要包括以下几个方面。 论文首先研究了终端天线的多频技术。基于单极子天线的多频设计，分析了多模合成实现多频工作的基本原理并给出了相应的设计原则。基于多模合成方法，从一般单极子天线出发，研究了天线在面对多频、小尺寸、宽窄带结合等问题中的具体设计方法。对于紧凑型多频多输入多输出天线，研究了如何利用方向图分集和极化分集实现小型双天线的设计。针对移动通信天线，提出了有限净空区内双天线的设计方案，满足多频工作和低耦合的需求；针对双频无线局域网天线，结合宽缝天线和多频单极子实现多频双向辐射，并分析了天线的去耦合方法。 对于移动通信终端天线设计，论文提出了一种移动终端天线小型化设计方案。采用多模单极子天线结合边框模式，在保证完整边框的前提下实现第四代移动通信的七频段覆盖，且缩减了净空区占用面积。通过采用容性加载法产生了对称边框模式，拓展了低频段的带宽。设计三维金属结构使多谐振模式共存，从而拓展高频带带宽，且天线在工作频带内辐射性能良好。天线设计保证了金属边框完整，同时且有低剖面、净空区小的优势，有潜在工程应用价值。 对于超宽带通信终端天线，论文提出了一种新型超宽带缝隙天线设计方法。不同于传统的多模谐振来实现宽频覆盖，设计利用缝隙结构的场分布特点引导产生行波模式，从而使天线具有宽带及辐射稳定的特点，保证了收发时域脉冲信号的保真度。新型缝隙天线具有缝隙窄、尺寸小、结构简单、性能稳定的特点，适合应用于各种无线通信终端设备中。 最后，论文针对两种新兴技术可重构技术和人工磁导体进行研究并将其应用于终端天线的设计中。主要创新点包括：提出了一种寄生双环加载方法实现方向图可重构，基于该方法设计的单缝天线具有多种辐射模式，可满足多场景对可切换波束的需求；设计了基于圆形贴片的方向图可重构天线，通过引入直连-差分混合馈电网络激励单层辐射贴片，获得锥形和侧射辐射方向图，天线结构简单、性能优良；提出一种基于慢波表面的新型人工磁导体，周期结构单元尺寸得到缩减，可作为天线背板，实现小型化定向天线的设计。

目录

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 终端天线研究现状及发展趋势

1.2.2 天线多频技术

1.2.3 天线小型化技术

1.3 本文的主要研究内容

第二章 终端天线多频技术研究

2.1 多模合成单极子天线

2.1.1 多模合成理论

2.1.2 有限大地板对天线的影响

2.1.3 多枝节多频单极子天线

2.1.4 带地板枝节的多频单极子天线

2.1.5 宽窄带结合单极子天线

2.2.1 问题简述

2.2.2 方向图分集移动通信天线

2.2.3 极化分集WLAN天线

2.3 本章小结

第三章 移动通信终端天线设计研究

3.1 引言

3.2 天线结构

3.3 设计过程及分析

3.3.1 完整边框模式分析

3.3.2 低频段容性加载法

3.3.3 高频段多模合成法

3.4 实验结果

3.5 本章小结

第四章 超宽带终端缝隙天线设计研究

4.1 引言

4.2 设计过程及工作机理

4.2.1 天线结构

4.2.2 天线演变过程

4.2.3 微带槽线转换器设计

4.2.4 槽线共面波导转换器

4.2.5 行波模式分析

4.3 参数分析

4.3.1 金属平面大小的影响

4.3.2 缝隙结构的影响

4.4 天线性能测试结果

4.4.1 反射系数

4.4.2 辐射性能

4.4.3 时域信号分析

4.5 本章小结

第五章 基于可重构技术的天线研究

5.1 引言

5.2.1 天线结构

5.2.2 工作机理及仿真分析

5.2.3 实验结果

5.3.1 天线结构

5.3.2 天线设计过程及分析

5.3.3 测试结果

5.4 本章小结

第六章 新型人工磁导体及其在天线中的应用研究

6.1 引言

6.2.1 蘑菇型EBG结构的慢波特性

6.2.2 基于慢波表面的小型化SW-AMC

6.3 新型AMC结构在天线中的应用

6.3.1 带SW-AMC背板的直臂偶极子天线

6.3.2 带SW-AMC背板的曲折臂偶极子天线

6.3.3 实验结果

6.4 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果