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[学位]

宽/多频带圆极化微带天线研究及设计

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Author:

李建星 (李建星.)

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学位论文库

Abstract:

圆极化天线具有降低极化失配损耗、抑制多径干扰信号、抵抗雨雾恶劣天气和放宽收发信机天线安装姿态限制的独特优势。随着卫星导航与通信系统以及现代移动通信系统的日益繁荣和快速发展,具有多频带或者宽频带性能的圆极化天线设计越来越受到业界的关注。此外,现代新型电子设备日趋小型化,要求终端天线还应尽可能缩减体积和减少重量。结合科研课题需求,本论文开展圆极化微带贴片天线和微带缝隙天线的研究和设计工作,主要内容包括以下几个方面:
1. 双点馈电多频带圆极化微带天线研究。针对全球卫星导航系统多模终端,设计了一副四频带短路型圆极化微带叠层天线。该天线基于正交相位双探针馈电结构实现圆极化辐射,采用四层短路的环形微带贴片覆盖四个工作频带。本设计提出一种阶梯型短路柱结构用于避免同轴馈电探针穿过厚介质基板时引起的感性电抗效应,还设计了天线相应的带状线正交相位馈电网络以简化天线结构复杂度、减少馈电端口数目以及降低微带贴片与馈电网络之间的电磁耦合。电磁仿真和试验测试结果表明天线能够覆盖CNSS L、CNSS S、GPS L1、GLONASS L1、BDS B1和BDS B3六个主要的卫星导航系统频段。
2. 紧凑型双频带圆极化微带天线研究。面向北斗卫星导航系统双频接收设备,设计了一副具有紧凑结构的双频带圆极化微带天线。该天线基于正交贴近式耦合馈电结构,采用缝隙加载技术实现双频带覆盖。为了缩减天线辐射口径,天线介质基板选用高介电常数陶瓷介质,加载的缝隙设计为米字型缝隙。天线辐射口径缩减为九分之一个自由空间波长。出于保证天线结构紧凑性的考虑,馈电网络采用商用小型宽带正交混合耦合器芯片实现。数值仿真和试验测试结果表明天线在BDS B1和BDS B3频段内具有良好的右旋圆极化辐射特性。
3. 缝隙耦合馈电圆极化微带天线研究。通过加载金属短路条带和金属短路柱,设计了一副小型化缝隙耦合馈电圆极化微带天线。借助短路加载结构的寄生电容和电感效应,天线整体和贴片尺寸仅为0.317λ0×0.317λ0×0.048λ0和0.186λ0×0.176λ0。与参考天线相比,两者分别缩减了约69%和75%。试验测试结果表明天线阻抗和轴比带宽分别为4.8%和1.5%。论文进一步改进天线馈电结构以拓展天线圆极化带宽,设计了功分移相馈电网络,在两个正交的位置对耦合缝隙进行馈电,保证天线整体尺寸基本不变的前提下,极大地拓展了圆极化带宽。试验测试结果表明天线阻抗、轴比和增益带宽分别为18.6%、26.3%和12.0%,重叠带宽达到12.0%,圆极化全局带宽是前者的八倍。
4. 圆极化圆环形微带缝隙天线研究。设计了两副分别加载集总电容和电感的圆极化微带缝隙天线,验证了电抗加载技术用于实现圆极化微带缝隙天线的有效性。论文对天线进行了仿真、优化、制作与测试。试验测试结果表明前者的阻抗和轴比带宽分别为30.8%和5.5%;后者的阻抗和轴比带宽分别为34.2%和6.7%。两副天线圆极化带宽内的增益都在3.0dBic左右。在上述设计基础之上,论文提出一种集总电容加载的双频带双圆极化微带缝隙天线设计方案。该天线采用两个同心的圆环形缝隙实现双频带覆盖,通过在内外缝隙的不同位置分别加载集总电容实现了两个工作频带上相反的圆极化辐射特性。天线低频带和高频带的极化方向分别是左旋圆极化和右旋圆极化,测试的阻抗带宽分别为22.6%和22.2%,轴比带宽分别为3.6%和5.6%。
5. 自适应抗干扰天线系统研制。针对北斗卫星导航接收设备易受外界射频信号干扰的问题,研制了一套四单元自适应抗干扰天线系统原理样机。首先,给出了自适应天线系统的整体架构和系统方案;其次,设计了四单元微带阵列天线、仿真验证了采用的空时自适应信号处理算法;最后,研制了原理样机,通过外场干扰对抗试验对原理样机性能进行了测试。外场试验结果表明原理样机对于单个宽带干扰信号和三个宽带干扰信号可以分别提供大于70dB和65dB的抗干扰性能。

Keyword:

多频带 宽频带 微带缝隙天线 微带贴片天线 圆极化天线 自适应抗干扰天线阵列

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  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 张安学

Year: 2016

Language: Chinese

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30 Days PV: 51

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