寬帶微帶天線及高性能有源一體化天線技術的研究.pdf

1、無線通信技術的飛速發(fā)展對位于無線通信系統(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）。微帶天線憑借其獨特的優(yōu)勢廣泛應用于無線通信、遙感、射電天文等諸多領域，然而極窄的帶寬制約了其進一步的發(fā)展應用。微帶天線的帶寬展寬技術一直是天線領域研究的熱點，也是無線通信技術領域的一個重要研究方向，發(fā)展寬帶高性能微帶天線對于整個微帶天線應用領域都具

2、有重要的意義。
　　另一方面，作為無線通信領域發(fā)展最為迅速的方向之一，移動通信系統(tǒng)在經歷了幾代的發(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節(jié)，且由于多種網絡制式并存而致使其天面資源極度匱乏，建設及維護成本不斷升高。而新一代無線通信技術(5G)中最具潛力的發(fā)展方向即Massive Multiple-Input andMultiple-Output(Massive MIMO)技術的研究與驗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)應運而生。隨著國際上各知名設備商陸續(xù)推出實驗樣機，有源一體化天線技術儼然已成為未來移動網絡站點型態(tài)的重要發(fā)展趨勢，而其精確的大范圍波束掃描能力也使其能靈活的應用于Massive MIMO系統(tǒng)架構的簡便實現(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)這兩個研究熱點，開

4、展了如下主要研究工作:
　　一、針對寬帶低剖面線極化微帶天線開展深入的研究。通過激勵多個諧振模式的方式，提出了兩種新穎的寬帶低剖面微帶天線結構: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理并總結出設計思路;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，基于對該天線輸入阻抗的

5、分析，總結了設計思路并與傳統(tǒng)的微帶貼片進行了比較。上述天線均利用PCB工藝制作實物并完成了測試，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際會議iWAT和國際核心期刊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。通過構造寄生諧振以及組陣的方式，提出并設計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成與輻射貼片層之間的“松耦合”，這兩種技術的結合使得該天線在具有更低耦合高度即剖面高度的同時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、率仍可獲得相當可觀的軸比帶寬。第三種為利用層疊型貼片耦合技術，實現(xiàn)環(huán)形連續(xù)相位旋轉饋電結構，獲得具有增強的帶寬及增益的2×2圓極化微帶天線陣。上述天線及陣列的工作機理以及影響各天線性能的主要結構參數(shù)均得到了有效的分析和實物驗證。這部分研究成果已在國際核心期刊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)。在對有源一體化天線設計中需要重點考慮的諸如射頻小型化及相位控制技術等關鍵技術研究分析的基礎上，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制器模塊，該模塊利用了矢量調制器低成本、高精度的優(yōu)點，卻克服了其工作頻率范圍受限的缺點，同時該模塊不影響信號的性能?；谠撃K，研制了一種采用射頻移相架構的1×8有源一體化天線陣列。針對該系統(tǒng)加工實物所

9、做的測試充分驗證了對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°增益波動小于1.5dB）及高精度（波束指向誤差在±0.5°以內）等出色的優(yōu)點。這部分研究成果已申請了國家發(fā)明專利并投稿至國際核心期刊Microw.Antennas Propag.。研制的有源一體化天線，已經為客戶所采用，實現(xiàn)了低配置的Massive MIMO移動通信系統(tǒng)。
　　四、針對當前Wireless Local Area Net

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