论文总字数：18682字

目 录

第一章绪论 5

1.1课题的背景及研究意义 5

1.2国内外研究现状 5

1.3论文工作和内容安排 6

1.3.1论文的主要内容 6

1.3.2论文的内容安排 6

第二章 微带线基础 7

2.1 微带线 7

2.2功率分配器 8

2.2.1三端口网络（T型结） 9

2.2.2 T型结功率分配器 10

2.3Wilkinson功率分配器 11

2.3.1 偶-奇模分析技术 11

2.3.2不等分功率分配器和N路Wilkinson功率分配器 13

2.4四分之一波长变换 14

2.5耦合线定向耦合器 15

2.5.1耦合线理论 15

第三章本课题的研究内容 17

3.1开关控制的可重构Wilkinson功率分配器 17

3.2可实现单向信号路径双向Wilkinson功率分配器 19

参考文献 29

致谢 30

功率比可重构功分器

洪悦

, China

ABSTRACT: In recent years, with the large capacity of wireless communications, multi-function, ultra wideband direction, one of the core device as a wireless communication antenna gets more and more attention. As a new type of polarization reconfigurable antenna it received widespread attention at home and abroad. Polarization reconfigurable antenna can be based on real-time changes in the environment to choose the right means of polarization, so that it can effectively reduce the power losses from the polarization mismatch, enhance the anti-jamming ability of signal, improve the transmission efficiency of the system. In this article, we can use the pin switch and change the way of coupler implementations of feeding, so as to realize the transformation of polarization modes. By adding a small amount of switch and appropriate use of coupler, cell capacity, the output power of 3 port network than switching between 1-0 and 1:1.

KEY WORDS: Power ratio reconfigurable polarization reconfigurable antenna Average power distribution Wilkinson power divider

第一章绪论

1.1课题的背景及研究意义

为了观测宇宙中数亿光年远的射电源，科学家需要用到厘米波长的甚大阵（VLA）进行天文观测；生活中，我们需要通过定位卫星装载的螺旋天线阵联系GPS来获取我们的经纬度和高度；早期的手机通过30厘米长的波将我们带入无线通信时代。这些都和天线密不可分。“天线”一词其实并不陌生，自然界中来自飞禽走兽、虫鸟德触觉感官都可以被称为自然意义上的“天线”。人类发展史上的天线要追溯到19世纪90年代赫兹发明天线，随着时代的发展，天线在人类文明中扮演愈来愈重要的角色，它将人类带入了无线通信的时代。从最初的联系船舶和预防海难的无线电，到二战中雷达的应用，直至今天的载有天线阵的探测器，无线通信技术经过一个世纪的发展日趋成熟。

“可重构天线”之所以能够在现代社会的通信系统中脱颖而出，和它的体积小，重量轻，低成本，多频带多模式工作模式密不可分。理想情况下，我们希望可重构天线具有对工作频率、阻抗带宽、辐射方向图以及极化方式等特性独立的调整的功能。但是由于受到客观因素的限制，这一期望很难实现。可重构天线可用一个天线实现多个天线的功能，可以有效地减少有限通信平台上天线的数量，并降低天线之间的电磁干扰。按功能划分，可重构天线可以分为频率可重构天线、方向图可重构天线、极化可重构天线、可以改变多种特性参数的重构天线。本文介绍的是通过改变输出端的功率比以实现极化方式重构的天线。

目前，可重构天线的实现方法有两种。在设计频率可重构天线时的设计方法如下：在电路中加入可变电容实现电路工作频率的改变，其途径是通过调节偏置电路控制电容两端的电压大小，设置电容值，这样就可以使工作频率随之变化。第二种方法是通过使用PIN开关，MESFET开关以及MEMS开关来切换选择天线的不同工作结构，例如控制选择不同的馈电方式或者控制天线与地的连接与断开等，从而实现天线的可重构。这些方法究其本质是通过改变天线的结构而改变天线的辐射体上的电流分布。本文主要运用第二种方法即通过加入开关和耦合器来实现馈电方式的转变，从而实现极化方式的转变。

1.2国内外研究现状

由于可重构天线的实用性，可重构天线的发展越来越成熟，所以其理论和实际成果也较多。可重构天线的实现方法有四种，频率可重构、方向图可重构，极化可重构和多种参数可重构。其中，频率可重构天线的研究相对较成熟。顾名思义，根据控制变量法，频率可重构是保持辐射方向和极化方式不变，天线的频率在设置区间内变化。频率可重构天线优势在于工作频率选择范围越大，工作电路的可靠性越高抗干扰能力越强。实际操作中，可以在电路中加载射频开关和机械开关实现频率的切换。频率的改变其实质是改变天线的电流分布情况。

方向图可重构天线是在频率和极化方式保持不变的情况下对辐射方向进行重构。其优势是抗干能力强，能提高能量的利用率和避开电子阻塞的能力。通常请况下，电路中的频率改变必然引起电路电流变化，所以，要想实现方向图的可重构并不容易。常用的相控阵天线理论仍有不足之处。因为成本随频率增加而增加，馈电系统复杂难以实现，阵元间间隔较大难以缩小等原因，极化可重构天线系统难以优化和广泛运用。目前，主要有方向图可重构领结型槽缝天线、方向图可重构叶型天线、单馈电方向图可重构天线等。

多种参数同时可重构天线能够实现天线的频率、方向图以及极化方式组合改变。所以这种天线的应用更加广泛，性能更加优越。但是与此相对应的实现难度也更大。

极化可重构天线实现方式有改变天线结构，改变材料特性，改变馈电结构。其实质就是改变天线结构中电流的分布。极化可重构的表现形式有线极化、左旋圆极化、右旋圆极化。极化可重构天线优势在于灵活度高、自由度高、抗干扰能力高、频谱利用率高、通信系统容量大。另外，极化可重构天线可以消除多径效应。实际操作中可在电路中添加控制开关，改变天线的物理结构。本质还是改变电流分布，实现极化方式的转变。 目前，有很多实现了的设计实例。

1.3论文工作和内容安排

1.3.1论文的主要内容

（1）微带线基础的学习并学会使用ADS仿真。

（2）开关控制可重构威尔金森功率分配器研究和仿真。

（3）耦合器和模式控制开关共同作用的可重构威尔金森功率分配器。该功分器可以实现两种状态：双向威尔金森均匀分配功率分配器，单向的信号通路。

1.3.2论文的内容安排

本文一共分为四章，主要内容如下：

第一章绪论阐述了可重构天线的发展前景，实现方式，并且着重极化可重构天线的实现方式，即通过改变输出端的功率比实现馈电方式改变极化方式。接着介绍了国内外的研究现状，最后概述本文的论文内容。

第二章微带线基础 主要据介绍了微带线的定义，三端口网络以及T型功率分配器，Wilkinson功率分配器。最后介绍了2.4四分之一波长变换器，这是构成Wilkinson功率分配器重要元件。除此之外，本文的设计还涉及耦合器，所以也阐述了耦合器的组成结构和分类，如何用偶模-奇模分析法分析各类耦合器。

第三章课题的研究内容 本文的研究内容有两个，一是开关控制的可重构Wilkinson功率分配器，二是可实现单向信号路径双向威尔金森分频器，这两个功分器都是利用控制开关实现的。

第二章 微带线基础

2.1 微带线

作为平面传输线，微带线可以用印刷电路板工艺加工，并且具有易于和有源无源微波器件集成的优势。

图2-1 微带线结构和场力线如图所示[1]

如图2-1所示微带线的制作方法，即将宽度为W的导体印制在在参数为d和电介质基片上，并将基片接地。理想情况下，电介质是不存在的即=1的情况，理想双线传输线宽度为w, 两个平的带状导体之间距离为2d。一般情况下基片都存在电介质，此时在电介质没有填充的上边的区域（ygt;d）含有少部分场力线，所以微带线的行为和分析较为复杂。由于电介质区域的TME场的相速和空气中的TEM的相速不同，所以电介质-空气分界面上不可能实现TEM的波的相位匹配，因此，微带线不能支持纯的TEM波。因为微带线的损耗和相互干扰的程度与介质基片的相对介电常数有关，越大损耗越小，相互干扰的程度越小，所以常用的介质基片是介电常数高，高频损耗小的材料。

微带线是一种双导体系统，可分为空气微带线和标准微带线。空气微带线导带周围的介质连续传输TEM波。标准微带线即填充有电介质的微带线，导带周围介质分为两种，一种是导带上方的空气另一种是导带下方的介质。因为电场大部分集中在导带和接地板之间，所以微带线中真正传输的是一种叫做TE-TM的混合波。但由于导带和接地板之间的横向场分量比纵向场要小得多,当工作频率不是很高,选择合适的微带线尺寸,您可以忽略纵向场分量的影响,因此,微带线传输方式特性与TEM波相差很小,所以称为准TEM波。

微波系统中微波电路的体积越小重量越轻性能越好。微带线包括导体板、介质基片和导体带三部分。为了降低衰减，一般需要降低介质基片损耗提高光洁度。微带线的几何结构虽然简单，但其电场和磁场相当复杂，并且在微带线上传输并不是严格意义上的TEM波。

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