伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,人們對(duì)無(wú)線通信的要求越來(lái)越高。尤其是高速率、高可靠性、低時(shí)延無(wú)線通信成為許多新應(yīng)用場(chǎng)景的首要需求。無(wú)線通信系統(tǒng)性能的優(yōu)劣主要取決于組成系統(tǒng)的各部件性能,包括天線、信號(hào)處理器、接收機(jī)等多個(gè)方面。其中天線作為無(wú)線通信系統(tǒng)最前端設(shè)備,對(duì)整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。為了滿足人們對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)高速無(wú)線傳輸?shù)男枨?多天線技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始被廣泛研究,其中包括MIMO(Multiple-Intput and Multiple-Output)技術(shù)和認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)。MIMO技術(shù)是在發(fā)射端和接收端安裝多對(duì)天線,利用無(wú)線信道的多徑效應(yīng),能夠多路并行同時(shí)傳輸信息,而認(rèn)知無(wú)線電技術(shù)則可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)設(shè)備的工作特性,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)高速傳輸。他們都能夠在不增加額外頻譜和發(fā)射功率的前提下顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速率和可靠性。在此背景下,本文針對(duì)多天線技術(shù)展開(kāi)了研究,主要工作為:1.提出了兩款耦合饋電共享輻射貼片極高端口隔離度二單元微帶MIMO天線。詳細(xì)研究了兩款MIMO天線端口散射參數(shù)、輻射方向圖、單元天線間的相關(guān)性、天線輻射效率、輻射增益等特性。單頻微帶MIMO天線諧振于5 GHz,能夠應(yīng)用于WLAN(Wireless Local Area Network)系統(tǒng)中。兩個(gè)單元天線共用中間正方形輻射貼片,將二單元天線幾何尺寸減小了50%。利用了縫隙加載技術(shù)進(jìn)一步將天線尺寸減小8.48%,最終將天線平面尺寸縮小為一個(gè)邊長(zhǎng)為1 cm的正方形。同時(shí)利用極化分集、微擾和非對(duì)稱(chēng)饋電等綜合技術(shù)提高了單元天線端口間隔離度,實(shí)現(xiàn)了工作頻帶內(nèi)S12/S21-27.9dB,峰值達(dá)到-50.0 dB。雙頻微帶MIMO天線的兩個(gè)諧振頻點(diǎn)分別為2.4 GHz和5 GHz,能夠同時(shí)覆蓋WLAN的高低兩個(gè)頻點(diǎn)。該雙頻天線諧振于基模和高次模,利用輻射貼片中心處加載的正方形縫隙修正了高次模諧振頻點(diǎn)處畸變的輻射方向圖。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了兩個(gè)天線的可行和可靠性。2.提出了基于離散寄生單元結(jié)構(gòu)的單天線和MIMO天線。該系列天線結(jié)構(gòu)主要分為離散寄生輻射結(jié)構(gòu)和激勵(lì)饋電結(jié)構(gòu)兩個(gè)部分。單元天線有四個(gè)寄生單元,是一款高增益寬頻帶線極化雙層微帶天線,阻抗帶寬為27.0%,增益達(dá)6.52 dBi。兩款二單元微帶MIMO天線均有六個(gè)寄生單元,兩款天線阻抗帶寬分別為32.1%、26.6%,增益分別為6.52 dBi、6.47 dBi。四單元MIMO天線結(jié)構(gòu)中共用了十個(gè)寄生單元,該天線阻抗帶寬和輻射增益分別為23.8%、5.40 dBi。利用極化分集技術(shù),MIMO天線端口隔離度均小于-15 dB。實(shí)測(cè)結(jié)果也驗(yàn)證了該系統(tǒng)四款天線的可行和可靠性。3.認(rèn)知無(wú)線電是另一種有效提高頻譜利用率的技術(shù),系統(tǒng)主要前端設(shè)備是可重構(gòu)天線。本文提出了兩款結(jié)構(gòu)相似、極化和頻率同時(shí)可重構(gòu)雙層微帶可重構(gòu)天線。一款是利用PIN開(kāi)關(guān)二級(jí)管對(duì)天線饋電結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)天線極化模式和諧振頻率可重構(gòu),另一款是基于連續(xù)周期性地旋轉(zhuǎn)上層輻射貼片而實(shí)現(xiàn)的可重構(gòu)。第一款天線在線極化模式下能夠在5.36 GHz和5.64 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)間重構(gòu);同時(shí)在5.36 GHz頻點(diǎn)處能夠?qū)崿F(xiàn)三種極化模式的重構(gòu),分別為線極化、左旋圓極化和右旋圓極化。第二款天線在線極化模式下能夠在4.77 GHz和5.03 GHz兩個(gè)頻點(diǎn)間重構(gòu):同時(shí)在4.77 GHz頻點(diǎn)處能夠?qū)崿F(xiàn)三種極化模式的重構(gòu)。兩款天線在每個(gè)工作模式下均獲得了優(yōu)于單層微帶天線的輻射效率和輻射增益,分別達(dá)93.2%、5.57 dBi和80.6%、2.73 dBi4.提出了一款雙頻帶三種極化模式可重構(gòu)的單平面CPW(Coplanar Waveguide)饋電天線。兩個(gè)頻帶的相對(duì)阻抗帶寬分別為27.7%(2.30 GHz~3.04 GHz)和7.32%(4.34GHz~4.67 GHz)。詳細(xì)研究了該天線的端口和輻射特性,因?yàn)樵撎炀�是單平面天線,垂直于天線平面的兩個(gè)方向都有輻射,所以天線輻射效率較高,兩個(gè)頻帶上分別達(dá)93%和92%。雙向輻射同時(shí)也降低了天線增益,分別為2.30 dBi和3.52 dBi。實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了天線的可靠性。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TN820
【部分圖文】：

第一章 緒論頻極化可重構(gòu)和線極化模式下的頻率可重構(gòu)混合可重天線可以認(rèn)為是一個(gè)性能極好的天線之一。重構(gòu)天線可重構(gòu)天線就是在保持天線諧振頻點(diǎn)和極化模式不變的的天線。圖可重構(gòu)天線實(shí)現(xiàn)機(jī)理可以總結(jié)為三類(lèi)： 分別為調(diào)節(jié)及改變天線材料特性。改變電特性是最常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)形式是利用寄生結(jié)構(gòu)，對(duì)寄生結(jié)構(gòu)進(jìn)行電控調(diào)諧[114-116]；計(jì)了一種寄生振子天線[117]，如圖 1- 3 所示。只要改變輻射振子天線表面的電流就會(huì)改變，波束的發(fā)射方向

都能被重構(gòu)或者三個(gè)同時(shí)可以被重構(gòu)的天線，另一種理解是在同一個(gè)天線中上述三性能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立地切換�，F(xiàn)在能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)特性可重構(gòu)的天線文獻(xiàn)已經(jīng)不少[130-135]，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)可重構(gòu)則相對(duì)較少。比如文獻(xiàn)[136]中基于微帶饋電的平面單極子天線實(shí)現(xiàn)了方向圖化模式在保證頻率一致的條件下同時(shí)可重構(gòu)。Nghia Nguyen-Trong 等人 2015 年利帶天線實(shí)現(xiàn)了極化和頻率可重構(gòu)[137]，天線的基本結(jié)構(gòu)包括一個(gè)正方形金屬貼片、邊緣附近的四組金屬短路支節(jié)和四個(gè)二極管以及調(diào)節(jié)相位的電容。通過(guò)控制二極管斷，將正方形與不同邊緣處的短路支節(jié)相連，同時(shí)加載電容改變天線的諧振頻率，了天線頻率和極化同時(shí)可重構(gòu)，天線的結(jié)構(gòu)模型如圖 1-5（a）所示。Lei Ge 等人于 2基于縫隙天線實(shí)現(xiàn)了天線諧振頻率[138]，輻射方向圖和極化特性全部可重構(gòu)的天線構(gòu)如圖 1-5（b）所示。三種特性的可重構(gòu)是通過(guò)控制十字縫隙內(nèi)的電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)于輻射方向圖，可以實(shí)現(xiàn)向前和向后兩個(gè)方向上切換；對(duì)于極化，可以實(shí)現(xiàn)兩種線間的切換或者兩種圓極化間的切換；對(duì)于頻率，在線極化狀態(tài)下，頻率可以在三個(gè)上切換，但是在圓極化狀態(tài)下，頻率可以在兩個(gè)頻段上切換。該天線基本實(shí)現(xiàn)了可天線的終極目標(biāo)。

如圖2-1 所示。具體是將傳輸線輸出的射頻導(dǎo)波能量變換為電磁波能量在自由空間中向遠(yuǎn)處傳播或者將自由空間中的電磁波能量轉(zhuǎn)換為射頻導(dǎo)波能量傳輸給接收機(jī)。天線的主要用途是通過(guò)發(fā)射和接收電磁波實(shí)現(xiàn)信息傳遞。隨著科技的發(fā)展，天線已經(jīng)應(yīng)用在諸多非信息傳遞領(lǐng)域，比如射頻能量回收中使用的整流天線[139-140]、微波波束武器高能量輻射天線[141-142]等。為了完成上述功能，天線各種電參數(shù)指標(biāo)，比如輻射效率、波束寬度、輸入阻抗、極化、方向系數(shù)、增益和頻帶寬度等都必須滿足一定的要求。下面對(duì)天線基本參數(shù)做簡(jiǎn)單介紹。圖 2-1 天線能量轉(zhuǎn)換示意圖2.1.1 天線方向系數(shù)和增益天線方向系數(shù)定量描述天線輻射方向性的強(qiáng)弱。定義為在相同輻射功率條件下，最大輻射方向上，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)某場(chǎng)點(diǎn)功率密度與各向均勻無(wú)方向性天線該點(diǎn)功率密度的比值：0rrMpSDS 相同， 相同(2-1)其中 SM和 S0分別為
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