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