非對稱共面波導與微帶天線的綜合及應用.pdf

1、近年,隨著無線通信需求的不斷增加,寬帶、雙頻無線通信技術得到了廣泛的應用。無源器件性能的改進以及新型器件的涌現都促進了無線通信技術的不斷發(fā)展。共面波導(CoplanarWaveguide,CPW)是一種十分重要的微波傳輸線。與微帶線相比,它具有低損耗、高集成度、易于與器件串并聯等優(yōu)點。它的出現給單片微波集成電路及其相關領域帶來了里程碑似的革命。非對稱共面波導(AsymmetricCoplanarWaveguide,ACPW)作為CPW的

2、擴展,也得到了越來越多的關注。在ACPW器件的研究與設計中,ACPW的綜合是不可逾越的。
　　 天線作為無線通信系統(tǒng)必不可少的部件,其性能好壞將對整個系統(tǒng)的性能產生重大的影響。微帶天線以其體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點而被廣泛應用。由于無線通信系統(tǒng)對微帶天線的要求是多種多樣的,因此需要研制相應的微帶天線。
　　 在國家自然科學基金、交通運輸部交通應用基礎研究項目和中央高?；究蒲袠I(yè)務費的資助下,本文對ACPW和單饋切角圓極

3、化微帶天線的綜合模型、基于ACPW的雙頻帶通濾波器和寬帶定向耦合器、滿足工程應用的新型微帶天線進行了深入的研究。具體內容如下:
　　 (1)根據保角變換理論推導了有限介質厚度ACPW和介質覆蓋金屬背敷ACPW的準靜態(tài)分析公式。以此為基礎并結合神經網絡,構造了它們的綜合模型,并通過保角變換分析、仿真與測試等實驗數據驗證了該模型的有效性。此外,為了提高介質覆蓋金屬背敷ACPW綜合模型的計算精度,提出了一種將遺傳算法(GeneticA

4、lgorithm,GA)與Levenberg-Marquardt(LM)算法相結合的混合算法(GA.LM混合算法)。采用該混合算法進行訓練可使綜合模型的最大相對誤差小于8.1%,而采用已有算法進行訓練其最大相對誤差大于15%。
　　 (2)提出了一種基于非對稱階躍阻抗ACPW諧振器的雙頻帶通濾波器。與傳統(tǒng)階躍阻抗雙頻帶通濾波器相比,在第一通帶兩側分別實現了一個額外的傳輸零點,提高了濾波器的頻率選擇性。此外,提出了一種CPW嵌入式

5、開路諧振器,并應用于濾波器的輸入和輸出端,實現了獨立可控的傳輸零點,顯著地提高了濾波器的性能。
　　 (3)推導了平行耦合線定向耦合器實現理想匹配與隔離的必要條件。為了滿足該條件,提出了一種基于ACPW的電容性相速補償技術。以此為基礎,研制了一個寬邊耦合CPW定向耦合器,其隔離度大于20dB的相對帶寬從25%提高到了61.8%。為進一步提高隔離度,又提出了一種將缺陷地結構(DefectedGroundStructure,DGS)

6、與ACPW相結合的改進方案。改進后寬邊耦合CPW定向耦合器的最大隔離度為57.2dB,隔離度大于20dB的相對帶寬達81.1%。
　　 (4)提出了兩個基于神經網絡的微帶天線綜合模型。模型一應用于傳統(tǒng)單饋切角圓極化微帶天線,模型二應用于可調諧單饋切角圓極化微帶天線。該模型可計算出單饋切角圓極化微帶天線的兩個重要設計參量(正方形貼片大小和切角尺寸),顯著地提高了天線的設計效率。電磁仿真和加工測試驗證了該模型的有效性。
　　

7、 (5)提出了一種低交叉極化低駐波比寬帶線極化微帶天線。通過采用疊層貼片配置和二維蜿蜒帶條饋電技術,將微帶天線電壓駐波比小于1.2的阻抗帶寬提高到了22%(804-1002MHz),在此頻率范圍內E面和H面交叉極化電平都小于-20dB。此外,對該微帶天線進行了參數化研究,給出了設計指南。
　　 (6)提出了水平蜿蜒帶條饋電技術,采用該技術可實現良好的阻抗匹配和得到對稱的輻射方向性圖。以此為基礎,針對超高頻射頻識別(RadioFr

8、equencyIdentification,RFID)讀寫器研制了兩個單饋寬帶圓極化疊層微帶天線,其軸比小于3dB的圓極化帶寬分別為10.8%(838-934MHz)和13.5%(838-959MHz)。在圓極化工作帶寬內電壓駐波比均小于1.5,增益都大于8.5dBi,天線指標滿足工程應用。
　　 (7)提出了一種應用于海事衛(wèi)星通信BGAN終端的2×2連續(xù)旋轉微帶天線陣。該天線陣引入了不等輸入阻抗天線單元和ACPW串聯饋電網絡。

9、該天線單元為切角圓極化微帶天線,其饋電結構為三維蜿蜒帶條,調整饋電帶條的物理尺寸可非常容易地實現不等輸入阻抗且不影響其輻射特性。與微帶串聯饋電網絡相比,ACPW串聯饋電網絡具有較低的輻射損耗,并且與不等輸入阻抗天線單元相結合,提高了饋電網絡的設計靈活性。測試結果表明,電壓駐波比小于1.5的阻抗帶寬達40.5%,軸比小于3dB的圓極化帶寬達25.6%,在BGAN系統(tǒng)工作頻率范圍內天線增益大于11.6dBi。所設計的天線陣滿足了BGAN終端