关于微带天线的小型化多频段的论文开题报告
1.论文选题的目的和意义
微带天线以其体积小,剖面低,易集成,造价低等特性以及良好的性能受到广泛的关注.随着移动通信系统业务的不断增加,通信设备不断向小型化发展,对夭线体积,集成化及工作频段的要求也越来越高.在某些通信场合,所用的频段很低,例如低于1GHz,有时甚至只400-500MHz,此时传统的半波长微带天线尺寸偏大.为此必须采用一定措施进一步减小微带天线的尺寸.现代移动通信要求天线能具有多频段(或宽频带)工作的能力.设计出实用的小型化,多频度微带天线己经成为一个迫切的要求.研究和设计性能优良的小型化多频段微带天线是本论文的主要工作.在必须考虑大小,重量,价格,特性要求,易安装以及符合气体动力外观等因素的高性能飞机,卫星以及全球定位系统,移动通讯和无线通讯等诸多高度发展的应用中都需要具有低剖面,能平贴于任何平面或曲面的外观特性,易制作,而且易与微波集成电路集成等优点的微带天线.而微带天线本质上所具有的高品质因数,窄频带,低效率等缺点也大大限制了它们的应用.因此,越来越多的研究投入放在如何改善它们的缺点,充分利用它们的优点,使它们更适合于实际的应用上.
在这些研究中,除了基础理论方面的讨论外,随着全球通信产业的高度发展而带来的应用研究则主要包含了能工作于双频,多频带的天线设计以及能增加频宽的天线设计.能工作于双频带的天线可以用为收发共用的天线,以处理同步进行接收与发射的两个分离频段的信号.另外,为了适应目前无线通讯中越来越高的带宽要求,改善微带天线窄频带特性的设计亦成为重要的.研究课题之一.在过去的研究中已出现了许多设计方法,但有利有弊,不是很理想.例如使用厚介质基片材料以增加天线频宽的设计在加大带宽的同时,使所使用的天线体积也加大了.而进一步将天线体积缩小后,又会产生减小带宽或使天线增益降低等缺点.因此 , 在上述的前提下,本文将针对如何保持微带天线小型化的同时,对微带天线多频段,宽频带工作特性进行研究,同时设计两种新型的天线结构.
2.课题名称和课题来源
课题名称:微带天线的小型化多频段研究
课题来源:本课题来源于现代通讯技术的实际需要.
3.前人在本课题研究领域的成果简介
微带天线的概念早在1953年就由Deschamps提出.从70年代起,微带天线随着应用领域的快速扩展而开始被广泛的研究和使用.其中,许多学者和工程师对微带天线的双频,多频操作进行了大量的研究应用.早期发展的结构为堆叠式与共平面式的结构,之后随着频率比,极化要求以及整体天线体积上的要求,并配合不同的馈入方式而有各种不同设计结构出现.例如有使用多个寄生元件或两个独立辐射元件的结构,有利用单一馈源或同时使用两个独立馈源在不同位置的设计,也有利用植入电抗性负载的设计,这些电抗性负载广义而言包括短路同轴微带,嵌入的微带线,短路棒,变容二极管,槽孔等等.在解决微带天线窄频带特性的问题上,各种设计不断推陈出新,所利用的方法也不断被开发并互相结合.例如有使用低介电常数的厚介质基底的设计,植入贴片电阻等损耗性元件的设计,植入集成式电抗性负载的设计,在馈入端设计匹配网络,堆叠结构的设计,寄生元件的设计,植入槽孔以及利用槽孔耦合馈电的方式等等.
但是上述方法也存在不足,有时会影响天线其它性能指标.例如,使用短路探针加载,在缩减天线尺寸的同时,对带来一些缺点,一方面使阻抗匹配依赖于短路探针的位置及其馈电点的距离,给制造公差提出了苛刻的要求,另一方面是带宽缩减,如若使用电抗性元件加载同样会造成带宽缩减,如若使用电阻性器件,虽然有助于展开频带,但是电阻性元件对能量的消耗将降低天线的效率.因此 , 如果采用新的技术在实现小型化微带天线多频段,宽频带工作性能的同时,兼顾其它天线性能指标,如效率,增益,极化等,成为研究的热点和难点.
4.研究的主要内容和方法
天线分析的基本问题是求解天线在周围空间建立的电磁场,求得电磁场后,进而得出其方向图,增益和输入阻抗等特性指标.分析微带天线的基本理论大致可以分为三类·最早出现的也是最简单的是传输线模(TLM—Transmission Line Model)理论,主要用于矩形贴片.更严格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论,可用于各种规则贴片,但是基本上限于天线厚度远远小于波长的情况.最严格而计算最复杂的是全波(FW-Full Wave)理论,全波分析中常常需要使用到各种数值方法.从原理上来说,全波理论可用于各种结构,任意厚度的微带天线,然而要受到计算模型的精度和机时的限制.从数学处理上看,第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题;第二种理论则发展到二维边值的问题的求解;第三种理论又进了一步,可以计入三维的变化,不过计算也费时的多.自然,这三种理论仍在不断的在某些方面有所发展,同时也出现了一些别的分析方法.基于对全波理论中积分方程法的简化,产生了格林函数法(GFA-Green Function Approach);而由空腔模垫的扩展,出现了多端网络法(MNA-Multiport Network Approach),等.
本论文将分析总结多种实现微带天线多频段,宽频带工作的设计方法,尤其是对PIFA天线结构做了详细分析,研究了天线高度,短路金属板宽度与谐振频率之间的变化关系等.在使用3D电磁场仿真软件HFSS对天线结构进行仿真的基础上,结合多种设计方法,提出了两种新型结构的微带天线,分别应用于WLAN,移动通讯终端.论文中新型结构的微带天线具有占用体积小,频带宽,效率高等优点.为了验证仿真结果,制作并测试相应的天线,对实验结果与仿真结果要进行对比,验证是否吻合.
本论文的创新之处在于结合多种技术,研制的两种新型结构的微带天线,在实现小型化多频段,宽频带工作的同时,兼顾了天线的增益与效率等指标,对实现工业上可应用的微带天线具有一定的指导意义.
论文内容安排如下:
第一章 绪论.介绍本论文的研究目的及意义,微带天线多频段,宽频带技术的 研究现状,论文的研究内容及创新之处,论文大纲.
第二章 简单介绍微带天线的基本理论,包括:微带天线的辐射机理,分析 模 型 以及理论分析方法,对天线的基本电参数做简要介绍.
第三章 详细讨论微带天线小型化,宽频带以及多频带的各种方法.
第四章 设计两种新型多频,小型化微带天线,一种应用于WLAN ,另 一 种应用于移动通讯终端.
第五章 对论文做总结,对论文的后续工作提出了建议
5,预期达到的目的和应用前景
微带天线由于具有体积小,重量轻,剖面薄,易与飞行器共形,易于加工,易与有源器件和电路集成为单一模块等诸多优点,因而自其诞生以来就得到社会各界的广泛研究与应用.但通常的微带天线主要是一种谐振式天线,相对带宽较窄.同时,随着通讯技术的发展,宽带的应用越来越受到重视,新的标准相继提出,通讯产品越来越小型化,物理空间的限制成为系统设计必须考虑的重要因素,因此天线的小型化成为天线设计的又一研究热点.如何设计出同时具有小型化,多频带以及宽频带的微带天线是当前微带天线设计的难点与重点.
本文针对当前对WLAN天线,多频移动通讯终端天线的需求,设计出了符合性能指标要求的双频WLAN天线和内置五频段内置天线.
1,对于WLAN天线,采用两个背对背的天线实现分集接收,用来降低多重路径衰减 ;在频宽方面不仅带宽符合无线局域网工作带宽的要求而且S2 1也低于-2 0dB ; 天线具有高增益和不错的增益稳定度,使得无线局域网络卡在接收信号时减少信号误判的情形发生.
2,新型的内置式多频段天线是在PIFA结构的基础上,结合了多种技术实现的. 天线在各个频带内,都有相对宽的带宽,满足系统的要求,同时天线占用的空间较小,实现了天线的小型化,取得了比较好的性能.
由于论文时间所限,以及天线的工作频率,物理空间的限制,所设计出天线的某些性能还有待改进,今后的本论文主要工作方向为:
1,对于WLAN天线,可以考虑在接地板上采用电磁带隙结构,以进一 步减小两个天线之间的互耦,改进天线的方向图.
2,对于内置式移动终端天线,考虑一个新的频段一一5.2GHz,从而可以实现移动终端与W LA N的互连;优化馈电点位置,进一步拓宽天线各频段的阻抗带宽 .
微带天线的发展正方兴未艾,应用前景非常广泛.由于应用的需要,微带天线在许多方面还将得到进一步的发展,如天线介质材料的更新,天线的多极化技术,分形技术,光子带隙技术以及计算机辅助设计技术和计算机辅助制造技术等.随着技术的发展以及人们对微带天线的深入研究和探讨,微带天线将会得到更为广泛的应用.
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