寬帶微帶天線及高性能有源一體化天線技術(shù)的研究.pdf

1、無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展對(duì)位于無線通信系統(tǒng)射頻終端的天線提出了更高的要求，即集成化（易于與射頻電路集成）、小型化（具備更小的剖面及體積）、高性能（寬頻帶或多頻帶、高增益、低旁瓣、低交叉極化等）。微帶天線憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于無線通信、遙感、射電天文等諸多領(lǐng)域，然而極窄的帶寬制約了其進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用。微帶天線的帶寬展寬技術(shù)一直是天線領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，也是無線通信技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，發(fā)展寬帶高性能微帶天線對(duì)于整個(gè)微帶天線應(yīng)用領(lǐng)域都具

2、有重要的意義。
　　另一方面，作為無線通信領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的方向之一，移動(dòng)通信系統(tǒng)在經(jīng)歷了幾代的發(fā)展部署后也陷入了諸多困境。傳統(tǒng)基站的扇面波束覆蓋及指向無法靈活調(diào)節(jié)，且由于多種網(wǎng)絡(luò)制式并存而致使其天面資源極度匱乏，建設(shè)及維護(hù)成本不斷升高。而新一代無線通信技術(shù)(5G)中最具潛力的發(fā)展方向即Massive Multiple-Input andMultiple-Output(Massive MIMO)技術(shù)的研究與驗(yàn)證也不得不面臨著成本及

3、性能的雙重挑戰(zhàn)。在此背景下，具有高集成度并能支持多制式的性能優(yōu)越的有源一體化天線系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。隨著國(guó)際上各知名設(shè)備商陸續(xù)推出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，有源一體化天線技術(shù)儼然已成為未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)型態(tài)的重要發(fā)展趨勢(shì)，而其精確的大范圍波束掃描能力也使其能靈活的應(yīng)用于Massive MIMO系統(tǒng)架構(gòu)的簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)。因而研究具有低成本及高性能的有源一體化天線系統(tǒng)意義非凡。
　　本文緊緊圍繞寬帶低剖面微帶天線及低成本、高性能有源一體化天線系統(tǒng)這兩個(gè)研究熱點(diǎn)，開

4、展了如下主要研究工作:
　　一、針對(duì)寬帶低剖面線極化微帶天線開展深入的研究。通過激勵(lì)多個(gè)諧振模式的方式，提出了兩種新穎的寬帶低剖面微帶天線結(jié)構(gòu):其一為通過微帶線嵌入饋電的開有Tooth-like縫隙的單層微帶貼片天線，通過微帶貼片表面的電流分布，分析了天線的雙重諧振機(jī)理并總結(jié)出設(shè)計(jì)思路;其二為通過帶狀線饋電并有枝節(jié)加載的E形SubstrateIntegrated Waveguide(SIW)背腔微帶貼片天線，基于對(duì)該天線輸入阻抗的

5、分析，總結(jié)了設(shè)計(jì)思路并與傳統(tǒng)的微帶貼片進(jìn)行了比較。上述天線均利用PCB工藝制作實(shí)物并完成了測(cè)試，在剖面高度為0.033λ0的情況下均展示出了超過10％的阻抗帶寬。這部分研究成果已分別在國(guó)際會(huì)議iWAT和國(guó)際核心期刊IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.上發(fā)表。
　　二、圍繞寬帶低剖面圓極化微帶天線展開深入的研究。通過構(gòu)造寄生諧振以及組陣的方式，提出并設(shè)計(jì)了三種寬帶低剖面微帶天線。第一種為單饋層疊型微

6、帶貼片天線，該天線通過在輻射貼片層加載寄生貼片來獲得更寬的“潛在”軸比帶寬，然后通過引入呈環(huán)狀排列的層疊型貼片陣來構(gòu)成與輻射貼片層之間的“松耦合”，這兩種技術(shù)的結(jié)合使得該天線在具有更低耦合高度即剖面高度的同時(shí)獲得了更寬的軸比帶寬。第二種為具有層疊型寄生貼片的淺化背腔微帶縫隙天線，該天線通過引入層疊型的寄生貼片有效的恢復(fù)了受淺化背腔（背腔高度小于λ0/4）影響而惡化的微帶縫隙天線的軸比性能;在背腔高度極低的情況下，通過改變寄生貼片的諧振頻

7、率仍可獲得相當(dāng)可觀的軸比帶寬。第三種為利用層疊型貼片耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)形連續(xù)相位旋轉(zhuǎn)饋電結(jié)構(gòu)，獲得具有增強(qiáng)的帶寬及增益的2×2圓極化微帶天線陣。上述天線及陣列的工作機(jī)理以及影響各天線性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)均得到了有效的分析和實(shí)物驗(yàn)證。這部分研究成果已在國(guó)際核心期刊EEE Trans.Antennas Propag.和IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.上發(fā)表。
　　三、深入研究了面向下一代移動(dòng)通信Mas

8、sive MIMO系統(tǒng)的低成本、高性能2.6GHz有源一體化天線系統(tǒng)。在對(duì)有源一體化天線設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的諸如射頻小型化及相位控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究分析的基礎(chǔ)上，提出了一種低成本、高靈活性、非常適用于有源一體化天線系統(tǒng)的頻率可搬移矢量調(diào)制器模塊，該模塊利用了矢量調(diào)制器低成本、高精度的優(yōu)點(diǎn)，卻克服了其工作頻率范圍受限的缺點(diǎn)，同時(shí)該模塊不影響信號(hào)的性能。基于該模塊，研制了一種采用射頻移相架構(gòu)的1×8有源一體化天線陣列。針對(duì)該系統(tǒng)加工實(shí)物所

9、做的測(cè)試充分驗(yàn)證了對(duì)其分析的合理性并展示出了其所具有的低成本、高靈活性、寬掃描角（-50°至50°增益波動(dòng)小于1.5dB）及高精度（波束指向誤差在±0.5°以內(nèi)）等出色的優(yōu)點(diǎn)。這部分研究成果已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利并投稿至國(guó)際核心期刊Microw.Antennas Propag.。研制的有源一體化天線，已經(jīng)為客戶所采用，實(shí)現(xiàn)了低配置的Massive MIMO移動(dòng)通信系統(tǒng)。
　　四、針對(duì)當(dāng)前Wireless Local Area Net

10、work(WLAN)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)，即低成本、高性能且具備完全自適應(yīng)波束賦形功能的智能天線系統(tǒng)，提出并實(shí)現(xiàn)了一種5.8GHz基于頻率可搬移矢量調(diào)制器模塊的1×8有源一體化發(fā)射天線系統(tǒng)。該天線系統(tǒng)可以與實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的面向新一代無線局域網(wǎng)的8×8的MIMO系統(tǒng)，以較低的成本，實(shí)現(xiàn)MassiveMIMO的功能。在研究中，通過將頻率可搬移矢量調(diào)制器模塊在C波段實(shí)現(xiàn)，原本需要付出昂貴代價(jià)的高頻幅相調(diào)制功能被低成本的模擬IC器件在低頻處以更高的調(diào)制精