基于新型介质和结构的小型低剖面贴片天线研究

摘要

贴片天线是现代军用和民用无线系统中常用的一种平面型天线。随着无线电技术的飞速发展,为了满足未来无线应用不断增加的需求,低剖面的贴片天线将在小型化和宽频带两个方面面临着新的挑战。本论文以贴片天线理论为基础,通过理论预测、数值模拟以及实验测试等方法和手段,结合新型人工电磁介质的新机制和一些新型结构的设计,对低剖面贴片天线的小型化、带宽拓展以及用小型低剖面贴片天线设计MIMO无线通信系统的终端天线进行了研究。
　　 本文通过引入新型人工电磁介质在贴片天线小型化方面做了两部分工作。第一部分是利用无限长DPS-ENG双层介质平行板波导中存在的低频相速度非常大的TM0表面波这一特性,通过构造具有适当边界条件的对应于矩形贴片天线的谐振空腔,在计入ENG介质色散的情况下设计出了既接近亚波长量级小型化,又能在机理上保证高效率辐射的贴片天线。第二部分是利用DPS与DNG或者MNG两种材料的分界面上电场变化率反转的特性,构造出了具有边射辐射特性的贴片天线二次模或者说是实现了小型化的边射三阶模,在计入DNG和MNG色散的情况下设计了基于DPS-DNG和DPS-MNG并排基底的双频边射贴片天线,天线在两个工作频段上都同时获得了非常好的边射辐射,相比于目前流行的双频边射天线设计具有边射方向性优良、极化纯度高、无需栅瓣抑制、设计通用性好等一系列的优点。
　　 针对小型低剖面贴片天线带宽狭窄的固有难点,本文提出了一种主要基于多谐振技术的带宽拓展方法。通过将三个λ/4贴片单元直接耦合引入三个谐振,在对馈电探针进行改进以及对贴片天线的位置进行优化的基础上设计了一个中心频率工作在2.4GHz的E形天线结构,在天线最大尺寸小于λ/4特别是剖面低至0.0029λ的情况下实现了接近20％的带宽,是前人报道的同等剖面传统贴片天线带宽的两倍。本文详细给出了设计流程并讨论了多个关键参数的作用,为该带宽拓展方法应用于其它频段的天线设计提供了有益的参考。
　　 结合近年来兴起并蓬勃发展的MIMO技术,本文用低剖面的小型贴片天线单元设计了两个用于MIMO无线通信的终端天线。一是基于空间分集技术提出了一种具有隔离单元间耦合作用的新型结构,在两个并排放置的低剖面λ/4矩形贴片单元间距仅为0.024λ的情况下实现了频带内-20dB的低互耦和优良的MIMO性能。二是基于极化分集技术,首次实现了两个平面天线即一个方环贴片单元和一个λ/4矩形贴片单元的共位放置,在天线总尺寸不超过0.28λ特别是天线间距仅为0.008λ的情况下同样实现了频带内-20dB的低互耦、单元低相关性以及较高的增益。