极化可重构天线

论文总字数：29540字

目 录

１ 绪论 1

1.1 极化可重构天线的研究背景 1

1.2 极化可重构天线的研究意义 1

1.3 可重构天线在国内外的研究现状 1

1.3.1 频率可重构天线的国内外研究现状 2

1.3.2　方向图可重构天线的国内外研究现状 4

1.3.3　极化可重构天线的国内外研究现状 5

1.3.4　混合可重构天线的国内外研究现状 6

1.4　本论文主要任务和内容分布 7

2　天线的基本理论 8

2.1　引言 8

2.2　天线分类 8

2.3　天线主要特性参数 9

2.4　微带天线基础理论 11

2.4.1　微带天线的分类与结构 11

2.4.2　微带天线优缺点对比 12

2.4.3　微带天线的基本辐射原理 12

2.4.4　微带天线的馈电方式 14

2.4.5　微带天线的分析方法 15

2.5　圆极化天线的特性及其性能参数 18

2.5.1　圆极化天线特性 18

2.5.2　圆极化天线的性能参数 19

3 圆极化可重构天线设计 20

3.1　引言 20

3.2　微带天线圆极化方法 20

3.3　实现圆极化微带天线基本方式 20

3.4　单馈电点的天线形成圆极化波原理 21

3.5　天线的物理结构 23

3.6　仿真结果及其分析 24

3.6.1　天线驻波的仿真结果 26

3.6.2　天线的三维增益方向图的仿真结果 27

3.6.3　天线的二维增益方向图仿真结果 28

3.6.4　天线轴比仿真结果 28

3.6.5　极化可重构天线在左右旋圆极化状态下贴片表面电流分布仿真结果 29

3.6.6　天线辐射方向图仿真结果图 31

3.6.7　天线驻波比仿真结果 32

3.6.8　天线左旋右旋圆极化下的增益曲线图 33

3.7　本章小结 33

4 结束语 33

参考文献 34

致谢 37

一种利用二极管电路实现的极化可重构天线

吴弘毅

，China

Abstract：With the rapid development of communication technology and electronic, electronic system presents a kind of ultra-wideband, high-capacity, multi-functional as the development trend, which also led to a sharp increase in the number of antennas of the electronic system. It is a tremendous challenge to improve electromagnetic compatibility of electronic systems, reduce cost and weight.And it restricts the development of wireless communication and a wide range of applications. Reconfigurable antenna as a new antenna to solve the above problems attracted much attention at home and abroad.

Firstly, the current research status of various reconfigurable antenna is briefly introduced and analyzed; secondly, the basic theory of the microstrip antenna and some important parameters of the antenna are briefly introduced; then a PIN switch control circular polarized reconfigurable square microstrip patch antenna is designed. This is an antenna by controlling the switching state of the diodes in the same time to change the status of the stubs, enabling either the left-handed circular polarization(LHCP) or right-handed circular polarization(RHCP). Simulation results show that the performance of this circular polarization antenna is good,and meets the design requirements.

Key words：reconfigurable　circular polarization antenna　microstrip antenna　　　　　　

１ 绪论

1.1 极化可重构天线的研究背景

　　无线通讯系统的飞速发展使得在有限空间内安装较多的天线的情况增加，这使得该系统的成本增加，并且对实现其小型化，改善其电磁兼容等问题造成了相当大的挑战。系统间加剧的相互干扰问题，让现代通信系统的要求无法得到保证，由此可重构天线面世了。可重构天线仅仅使用一个天线就可以实现多个天线组合起来的功能。对系统间日益增加的天线干扰具有一定程度的改善效用。

　　1983年，D.Schaubert 等人在发布的专利文章“Frequency-Agile Polarization　Diverse Microstrip Antenna and Frequency Scanned Arrays” 中率先推出了可重构天线的构想。而在1999年，美国国防部的高级研究计划署(DARPA)带头联合十二所著名大学、研究所以及公司，进行了名为“可重构孔径”（Reconfigurable Aperture Program,RECAP）的科研计划[1]。因为可重构天线优点很多，国内外的许多学者都对它进行了深入的研究，而且中国的学者专家们也收获颇丰。

1.2 极化可重构天线的研究意义

相对于频率可重构、方向图可重构天线，极化可重构天线在体积受限的空间中表现更好，因为它极化方式更为多样，可以增设更多的收发信道，以致在频率复用、集化分集、以及极化调制等各个方面贡献良多。

与普通天线相比，极化可重构天线的优点是能得到更显著的增益、并且可以增加空间的自由度用以改善无线通讯系统的输送效率以及增加其系统的容量[38]。而且极化可重构天线也可以在一定程度上抑制信号衰落。所以，对极化可重构天线的进行深入的探究，不仅与客观工程需要相契合，还走在了本专业研究的最新方向。

1.3 可重构天线在国内外的研究现状

为了使当代通讯能够往容量大、丰富功能以及超宽带的趋势发展，Schaubert在他的专利作品中率先推出可重构天线的构想，之后，此概念伴随着通讯系统在近年的发展中变身为天线领域的一大热点，也因此许多新颖的天线设计概念和模型相继地涌现出来。

例如，UCLA的Samii与Yang fan在发表的文献[12]中提出一种能在左旋圆极化（LHCP）和右旋圆极化（RHCP）之间切换的可重构天线结构，这是极化可重构天线较早被提出的一种结构。该天线的馈电方式采用的是单馈法，以直流偏置电路来控制PIN 二极管的通断状态，使微带贴片上得电流分布发生改变，从而实现天线在左旋圆极化和右旋圆极化的工作状态间的切换。在文献[19]中，Wang Kin-Lu提出一种利用加载调谐枝节作为微扰单元的方法实现左旋、右旋圆极化切换的极化可重构天线。而MatthiasK. Fries设计出了一款天线，该天线是加载了微扰单元的环形槽微带天线，通过改变PIN 二极管开关的导通截止状态可以使得天线在左右旋圆极化和线极化之间切换[20]。Kwai-Man Luk和Shing-Lung Steven Yang设计了一款加载了4个短路针和2个L型状的探针临近耦合馈电的圆锥形可重构天线[21]，该天线不仅带宽较宽，而且特别适用于极化分集的情况。BoPan等人则在文献[22]中设计了一款能在线极化和左旋右旋圆极化间切换的单馈电点的圆形微带天线，这是一种新型的天线，由阻值为的微带线进行馈电，结构则是由5个PIN 二极管作为开关以及三个匹配枝节组成的。Chun-Hsien Wu、Yi-Fan Wu一起设计了一款孔径耦合的微带贴片天线。这款天线采用的馈电方式为双馈电点结构，这是由控制8个PIN 二极管的同一时刻每个开关的通断状态进而使天线可以在左右旋圆极化和垂直水平线极化四种状态间转换，非常适用于MIMO系统以及无线局域网络[23]。Y.S. Kim等人在文献[24]中设计了一款阻值的微带线单馈电，并且使用PIN 二极管连接贴片四个角的极化可重构天线，这种天线能通过控制PIN 二极管开关的各种状态在左旋圆极化和右旋圆极化，以及线极化的状态之间切换。文献[25]里面，Fan Yang 和YahyaRahmat -Samii提出并描述了一种天线，它主要构成是可控槽微带贴片。这种天线通过控制PIN二极管开关的各种状态来改变天线的微带贴片上槽的长度或位置构成频率比可调节的双频天线。另外，这种结构还可以让可控槽天线具有能让该微带天线的输入阻抗可调节，并且构成极化可重构天线和双频带圆极化天线的功能。Y.Nam等人在文献[26]中提出了将频率可重构和极化可重构结合的混合可重构天线。该天线是通过控制加载在U型槽的PIN二极管开关的状态使得天线形成频率可重构，然后，通过控制微带贴片上切角的2个PIN二极管的开关不同状态让天线能在线极化和右旋圆极化间进行转换。Fan Yang在他的博士论文[27]里，把可重构天线理论和电子带隙结构进行有机结合，设计出三款天线，分别是左旋右旋圆极化可重构天线、双频段圆极化可重构天线，和频率可重构天线。详尽地陈述了调节缝隙位置、长度和缝隙上PIN二极管的开关的不同状态来满足要求的参数标准。在国内，许多学者对极化可重构天线也有相当程度的探索和研究[28-37]。Yi-Bo Chen等人在文献[37]里设计了一种圆极化可重构天线，该天线的带宽在10%以上，利用PIN 二极管开关改变切槽的长度使得天线可以在左旋圆极化和右旋圆极化间进行转换。

天线的各个参数，例如天线的工作频率、阻抗带宽、福射方向图和极化方式等参数都取决于该辐射体或包围此辐射体封闭面上的各种电流分布状况。可重构天线的具体实现是利用机械、电等各种手段改变辐射体上的电流分布状态来改变天线的工作特性。

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