關(guān)于微帶天線的小型化多頻段的論文開題報告
1.論文選題的目的和意義
微帶天線以其體積小,剖面低,易集成,造價低等特性以及良好的性能受到廣泛的關(guān)注.隨著移動通信系統(tǒng)業(yè)務(wù)的不斷增加,通信設(shè)備不斷向小型化發(fā)展,對夭線體積,集成化及工作頻段的要求也越來越高.在某些通信場合,所用的頻段很低,例如低于1GHz,有時甚至只400-500MHz,此時傳統(tǒng)的半波長微帶天線尺寸偏大.為此必須采用一定措施進一步減小微帶天線的尺寸.現(xiàn)代移動通信要求天線能具有多頻段(或?qū)掝l帶)工作的能力.設(shè)計出實用的小型化,多頻度微帶天線己經(jīng)成為一個迫切的要求.研究和設(shè)計性能優(yōu)良的小型化多頻段微帶天線是本論文的主要工作.在必須考慮大小,重量,價格,特性要求,易安裝以及符合氣體動力外觀等因素的高性能飛機,衛(wèi)星以及全球定位系統(tǒng),移動通訊和無線通訊等諸多高度發(fā)展的應(yīng)用中都需要具有低剖面,能平貼于任何平面或曲面的外觀特性,易制作,而且易與微波集成電路集成等優(yōu)點的微帶天線.而微帶天線本質(zhì)上所具有的高品質(zhì)因數(shù),窄頻帶,低效率等缺點也大大限制了它們的應(yīng)用.因此,越來越多的研究投入放在如何改善它們的缺點,充分利用它們的優(yōu)點,使它們更適合于實際的應(yīng)用上.
在這些研究中,除了基礎(chǔ)理論方面的討論外,隨著全球通信產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展而帶來的應(yīng)用研究則主要包含了能工作于雙頻,多頻帶的天線設(shè)計以及能增加頻寬的天線設(shè)計.能工作于雙頻帶的天線可以用為收發(fā)共用的天線,以處理同步進行接收與發(fā)射的兩個分離頻段的信號.另外,為了適應(yīng)目前無線通訊中越來越高的帶寬要求,改善微帶天線窄頻帶特性的設(shè)計亦成為重要的.研究課題之一.在過去的研究中已出現(xiàn)了許多設(shè)計方法,但有利有弊,不是很理想.例如使用厚介質(zhì)基片材料以增加天線頻寬的設(shè)計在加大帶寬的同時,使所使用的天線體積也加大了.而進一步將天線體積縮小后,又會產(chǎn)生減小帶寬或使天線增益降低等缺點.因此 , 在上述的前提下,本文將針對如何保持微帶天線小型化的同時,對微帶天線多頻段,寬頻帶工作特性進行研究,同時設(shè)計兩種新型的天線結(jié)構(gòu).
2.課題名稱和課題來源
課題名稱:微帶天線的小型化多頻段研究
課題來源:本課題來源于現(xiàn)代通訊技術(shù)的實際需要.
3.前人在本課題研究領(lǐng)域的成果簡介
微帶天線的概念早在1953年就由Deschamps提出.從70年代起,微帶天線隨著應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴展而開始被廣泛的研究和使用.其中,許多學者和工程師對微帶天線的雙頻,多頻操作進行了大量的研究應(yīng)用.早期發(fā)展的結(jié)構(gòu)為堆疊式與共平面式的結(jié)構(gòu),之后隨著頻率比,極化要求以及整體天線體積上的要求,并配合不同的饋入方式而有各種不同設(shè)計結(jié)構(gòu)出現(xiàn).例如有使用多個寄生元件或兩個獨立輻射元件的結(jié)構(gòu),有利用單一饋源或同時使用兩個獨立饋源在不同位置的設(shè)計,也有利用植入電抗性負載的設(shè)計,這些電抗性負載廣義而言包括短路同軸微帶,嵌入的微帶線,短路棒,變?nèi)荻䴓O管,槽孔等等.在解決微帶天線窄頻帶特性的問題上,各種設(shè)計不斷推陳出新,所利用的方法也不斷被開發(fā)并互相結(jié)合.例如有使用低介電常數(shù)的厚介質(zhì)基底的設(shè)計,植入貼片電阻等損耗性元件的設(shè)計,植入集成式電抗性負載的設(shè)計,在饋入端設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò),堆疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計,寄生元件的設(shè)計,植入槽孔以及利用槽孔耦合饋電的方式等等.
但是上述方法也存在不足,有時會影響天線其它性能指標.例如,使用短路探針加載,在縮減天線尺寸的同時,對帶來一些缺點,一方面使阻抗匹配依賴于短路探針的位置及其饋電點的距離,給制造公差提出了苛刻的要求,另一方面是帶寬縮減,如若使用電抗性元件加載同樣會造成帶寬縮減,如若使用電阻性器件,雖然有助于展開頻帶,但是電阻性元件對能量的消耗將降低天線的效率.因此 , 如果采用新的技術(shù)在實現(xiàn)小型化微帶天線多頻段,寬頻帶工作性能的同時,兼顧其它天線性能指標,如效率,增益,極化等,成為研究的熱點和難點.
4.研究的主要內(nèi)容和方法
天線分析的基本問題是求解天線在周圍空間建立的電磁場,求得電磁場后,進而得出其方向圖,增益和輸入阻抗等特性指標.分析微帶天線的基本理論大致可以分為三類·最早出現(xiàn)的也是最簡單的是傳輸線模(TLM—Transmission Line Model)理論,主要用于矩形貼片.更嚴格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理論,可用于各種規(guī)則貼片,但是基本上限于天線厚度遠遠小于波長的情況.最嚴格而計算最復雜的是全波(FW-Full Wave)理論,全波分析中常常需要使用到各種數(shù)值方法.從原理上來說,全波理論可用于各種結(jié)構(gòu),任意厚度的微帶天線,然而要受到計算模型的精度和機時的限制.從數(shù)學處理上看,第一種理論把微帶天線的分析簡化為一維的傳輸線問題;第二種理論則發(fā)展到二維邊值的問題的求解;第三種理論又進了一步,可以計入三維的變化,不過計算也費時的多.自然,這三種理論仍在不斷的在某些方面有所發(fā)展,同時也出現(xiàn)了一些別的分析方法.基于對全波理論中積分方程法的簡化,產(chǎn)生了格林函數(shù)法(GFA-Green Function Approach);而由空腔模墊的擴展,出現(xiàn)了多端網(wǎng)絡(luò)法(MNA-Multiport Network Approach),等.
本論文將分析總結(jié)多種實現(xiàn)微帶天線多頻段,寬頻帶工作的設(shè)計方法,尤其是對PIFA天線結(jié)構(gòu)做了詳細分析,研究了天線高度,短路金屬板寬度與諧振頻率之間的變化關(guān)系等.在使用3D電磁場仿真軟件HFSS對天線結(jié)構(gòu)進行仿真的基礎(chǔ)上,結(jié)合多種設(shè)計方法,提出了兩種新型結(jié)構(gòu)的微帶天線,分別應(yīng)用于WLAN,移動通訊終端.論文中新型結(jié)構(gòu)的微帶天線具有占用體積小,頻帶寬,效率高等優(yōu)點.為了驗證仿真結(jié)果,制作并測試相應(yīng)的天線,對實驗結(jié)果與仿真結(jié)果要進行對比,驗證是否吻合.
本論文的創(chuàng)新之處在于結(jié)合多種技術(shù),研制的兩種新型結(jié)構(gòu)的微帶天線,在實現(xiàn)小型化多頻段,寬頻帶工作的同時,兼顧了天線的增益與效率等指標,對實現(xiàn)工業(yè)上可應(yīng)用的微帶天線具有一定的指導意義.
論文內(nèi)容安排如下:
第一章 緒論.介紹本論文的研究目的及意義,微帶天線多頻段,寬頻帶技術(shù)的 研究現(xiàn)狀,論文的研究內(nèi)容及創(chuàng)新之處,論文大綱.
第二章 簡單介紹微帶天線的基本理論,包括:微帶天線的輻射機理,分析 模 型 以及理論分析方法,對天線的基本電參數(shù)做簡要介紹.
第三章 詳細討論微帶天線小型化,寬頻帶以及多頻帶的各種方法.
第四章 設(shè)計兩種新型多頻,小型化微帶天線,一種應(yīng)用于WLAN ,另 一 種應(yīng)用于移動通訊終端.
第五章 對論文做總結(jié),對論文的后續(xù)工作提出了建議
5,預(yù)期達到的目的和應(yīng)用前景
微帶天線由于具有體積小,重量輕,剖面薄,易與飛行器共形,易于加工,易與有源器件和電路集成為單一模塊等諸多優(yōu)點,因而自其誕生以來就得到社會各界的廣泛研究與應(yīng)用.但通常的微帶天線主要是一種諧振式天線,相對帶寬較窄.同時,隨著通訊技術(shù)的發(fā)展,寬帶的應(yīng)用越來越受到重視,新的標準相繼提出,通訊產(chǎn)品越來越小型化,物理空間的限制成為系統(tǒng)設(shè)計必須考慮的重要因素,因此天線的小型化成為天線設(shè)計的又一研究熱點.如何設(shè)計出同時具有小型化,多頻帶以及寬頻帶的微帶天線是當前微帶天線設(shè)計的難點與重點.
本文針對當前對WLAN天線,多頻移動通訊終端天線的需求,設(shè)計出了符合性能指標要求的雙頻WLAN天線和內(nèi)置五頻段內(nèi)置天線.
1,對于WLAN天線,采用兩個背對背的天線實現(xiàn)分集接收,用來降低多重路徑衰減 ;在頻寬方面不僅帶寬符合無線局域網(wǎng)工作帶寬的要求而且S2 1也低于-2 0dB ; 天線具有高增益和不錯的增益穩(wěn)定度,使得無線局域網(wǎng)絡(luò)卡在接收信號時減少信號誤判的情形發(fā)生.
2,新型的內(nèi)置式多頻段天線是在PIFA結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,結(jié)合了多種技術(shù)實現(xiàn)的. 天線在各個頻帶內(nèi),都有相對寬的帶寬,滿足系統(tǒng)的要求,同時天線占用的空間較小,實現(xiàn)了天線的小型化,取得了比較好的性能.
由于論文時間所限,以及天線的工作頻率,物理空間的限制,所設(shè)計出天線的某些性能還有待改進,今后的本論文主要工作方向為:
1,對于WLAN天線,可以考慮在接地板上采用電磁帶隙結(jié)構(gòu),以進一 步減小兩個天線之間的互耦,改進天線的方向圖.
2,對于內(nèi)置式移動終端天線,考慮一個新的頻段一一5.2GHz,從而可以實現(xiàn)移動終端與W LA N的互連;優(yōu)化饋電點位置,進一步拓寬天線各頻段的阻抗帶寬 .
微帶天線的發(fā)展正方興未艾,應(yīng)用前景非常廣泛.由于應(yīng)用的需要,微帶天線在許多方面還將得到進一步的發(fā)展,如天線介質(zhì)材料的更新,天線的多極化技術(shù),分形技術(shù),光子帶隙技術(shù)以及計算機輔助設(shè)計技術(shù)和計算機輔助制造技術(shù)等.隨著技術(shù)的發(fā)展以及人們對微帶天線的深入研究和探討,微帶天線將會得到更為廣泛的應(yīng)用.
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