基于光子晶體的小型多頻微帶天線的研究與設(shè)計.pdf

1、隨著日益增長的移動通信業(yè)務(wù)多樣化的發(fā)展，通信設(shè)備對小型化多頻寬帶天線的需求越來越迫切。近些年微帶天線以其體積小，易集成和造價低等良好的性能得到了廣泛的重視和研究。同時，具有獨特阻帶特性的光子晶體在微帶天線各種技術(shù)的發(fā)展趨勢中顯示出巨大的潛力。
　　 本文的主要目的就是研究基于光子晶體的多頻小型微帶天線，主要完成了以下幾個方面的工作。首先對微帶天線和光子晶體做了詳細(xì)的理論分析，掌握并研究了這兩種技術(shù)的特性和規(guī)律。然后，基于微帶天線

2、的分析理論和實際應(yīng)用的需要，分別設(shè)計了兩種小型多頻段微帶天線。第一種是對天線兩條輻射邊應(yīng)用電抗加載方法設(shè)計的Φ型結(jié)構(gòu)微帶天線，采用基于有限元算法的電磁仿真軟件HFSS10.0對天線的優(yōu)化改進(jìn)，它能同時工作于WLAN2.5GHz、3.21GHz和4.54GHz三個頻段，Φ型結(jié)構(gòu)微帶天線整體尺寸相對減少了79.17％，同時最大增益達(dá)到了9.454dB，且其相對帶寬也達(dá)到了9.1％。很好的滿足了移動終端內(nèi)置天線工程中的多頻帶和小型化要求，具有

3、良好的應(yīng)用前景。通過對天線的仿真和總結(jié)，再次應(yīng)用電抗加載的方法對優(yōu)化后的Φ型結(jié)構(gòu)的非輻射邊進(jìn)行改進(jìn)，獲得另外兩個諧振頻段的四頻段雙Φ型小型多頻天線，并且其中一個頻段達(dá)到了23.33％的寬頻。第二種是應(yīng)用貼片開C型縫的方法來實現(xiàn)了天線的小型多頻工作特性，并對C型縫隙的不同寬度和不同饋電位置對天線整體性能的影響進(jìn)行了相應(yīng)的仿真分析。通過仿真結(jié)果分析表明，在天線多頻工作的前提下，天線尺寸相應(yīng)的得到了有效地縮減。此外，在分析高頻段電流分布的基礎(chǔ)

4、上，通過調(diào)節(jié)改變C型槽結(jié)構(gòu)，以截斷貼片表面密集電流的優(yōu)化方法，有效地抑制了天線的后向輻射并改善了天線在高頻段的主瓣分離現(xiàn)象，增加天線的增益，從而較好地滿足了天線的設(shè)計指標(biāo)要求。天線能同時工作于ISM2.4 GHz、Wimax3.5GHz和4.3GHz頻段。在光子晶體結(jié)構(gòu)研究方面，首先從光子晶體帶隙理論的分析出發(fā)，建立了基于2-D光子晶體結(jié)構(gòu)的微帶線模型，并對其進(jìn)行對比仿真分析，然后討論了不同介電常數(shù)、基板厚度、柵格常數(shù)、填充比等參數(shù)對光

5、子禁帶的影響。然后總結(jié)了各影響因素對光子晶體禁帶特性的變化規(guī)律，從而為下文光子晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考依據(jù)。在兩者的結(jié)合方面，以已設(shè)計的C型微帶天線模型為基礎(chǔ)，根據(jù)光子晶體結(jié)構(gòu)特性隨參數(shù)的變化規(guī)律，設(shè)計了與C型天線相匹配的兩種光子晶體結(jié)構(gòu)來改善其性能：第一種提出的PBG結(jié)構(gòu)主要是在天線輻射板下方的介質(zhì)基板中鉆周期性分布的三菱柱形空氣孔，并在輻射板下方的介質(zhì)層挖凹槽，使其中的光子晶體引入缺陷，然后將天線貼片放在凹槽的底部，通過合理設(shè)計周期

6、柵格的大小和孔的尺寸來獲得較寬的禁帶，且使設(shè)計的天線工作頻率落在我們計算的光子晶體的禁帶之內(nèi)。對加入PBG前后天線的回波損耗和輻射性能進(jìn)行了對比，所設(shè)計的PBG結(jié)構(gòu)不僅可以抑制表面波的傳播，減小天線旁瓣，并在一定程度上增加了天線的增益和效率，而且在改善高頻端主瓣分離現(xiàn)象的同時，使天線在低頻端的帶寬增加了6.32％，此外，所設(shè)計的PBG結(jié)構(gòu)尺寸相對于傳統(tǒng)的基底鉆孔型PBG結(jié)構(gòu)更小，更有利于實現(xiàn)光子晶體天線的小型化。第二種提出的新型PBG結(jié)

7、構(gòu)是在微帶天線的接地板上腐蝕周期性的E型圖案。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的PBG結(jié)構(gòu)不僅可以抑制表面波的傳播，在一定程度上增加了天線的增益，同時天線在低頻端的旁瓣減小了5.577dB，而且在改善天線方向性的同時，天線的相對帶寬得到了一定的提高。從而驗證了所設(shè)計方案在抑制表面波、提高增益及改善天線的輻射方向性等方面的有效性。研究結(jié)果為天線的工程應(yīng)用打下了相關(guān)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，具有重要的參考價值；所設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)簡單，性能良好，在實際移動通信中具