【摘 要】
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自20世纪末物联网概念被提出并得到大力推广,无线通信技术及其应用在全球范围内再次掀起一番热潮。2.4 GHz作为通用无线工作频段,其在物联网系统中的产品开发及应用得到了快速的发展。其中,天线是无线信号收发装置的关键一环,天线性能的优劣直接决定了收发系统整体的工作能力。无线系统小型化的发展需求,将天线的小型化及信道数的拓展推向时下研究热点。可见天线小型化技术及多输入多输出（Multiple-Inpu
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自20世纪末物联网概念被提出并得到大力推广,无线通信技术及其应用在全球范围内再次掀起一番热潮。2.4 GHz作为通用无线工作频段,其在物联网系统中的产品开发及应用得到了快速的发展。其中,天线是无线信号收发装置的关键一环,天线性能的优劣直接决定了收发系统整体的工作能力。无线系统小型化的发展需求,将天线的小型化及信道数的拓展推向时下研究热点。可见天线小型化技术及多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术的研究发展在移动终端应用中至关重要,多功能小型化终端天线是本文的研究重点之一,其中包含小型化双频可重构天线及小型化MIMO天线的研究。而室内微基站对宽波束覆盖和圆极化有较高的需求,全向圆极化技术作为微单元天线关键技术成为本文另一研究重点。本文针对应用于物联网系统中2.4 GHz天线的关键技术中的小型化双频技术、MIMO技术以及全向圆极化技术展开研究和天线设计。首先是针对物联网系统中2.4 GHz小型化双频天线的研究。为了实现天线的双频辐射及小型化设计,本文在单极子单频天线的基础上采用容性加载方式,既使得保证原有的高频辐射近乎不变的前提下,又引入了低频辐射。同时,由于加载结构的引入,使得天线整体的设计更加紧凑,尺寸进一步缩减。为了实现天线在2.4 GHz频段频率可调特性,本设计引入了一个可调谐电容,由于电容的低通高阻特性,该天线实现了高频频率和辐射均不变的前提下低频频率可调功能。再者是针对物联网系统中2.4 GHz小型化MIMO天线的研究。在小型化单元加载天线的研究基础上,本文又紧接着分析了MIMO系统中多天线间的互耦影响,介绍了实现天线间高隔离度的奇偶模方法,并提出了一款应用于物联网系统中移动终端2.4 GHz的基于奇偶模分析法的新颖的MIMO天线设计。首先,为了实现较高的天线隔离度,本文提出基于奇偶模馈电的具有方向图/极化分集特性的双单元天线。同时,在此馈电结构基础上,天线的双端口辐射实现了共口径设计,提高了空间使用效率,因此MIMO天线的整体尺寸进一步地缩小。最后是针对物联网系统中2.4 GHz小型化室内微基站全向圆极化天线的研究。首先介绍了复合左右手传输线及负磁导率超材料传输线基本理论,接着,为了实现天线全向圆极化辐射特性,一个垂直单极子和一个水平同相电流环的模型被采用。通过四周短路电感加载这一措施,天线的剖面尺寸降低许多。垂直极化的全向模式是由中心馈电蘑菇型复合左右手传输线的零阶模式谐振而来,水平极化的全向辐射是由四周的容性加载传输线,即负磁导率传输线的零阶模式产生的。两种极化之间有着天然的90度相位差,最终得到了一个具有低剖面的全向圆极化天线。本文提出的该应用于微基站的全向圆极化天线工作频段覆盖了2.3 GHz-2.6 GHz,其中圆极化带宽基本覆盖了常用的2.4 GHz ISM带宽需求。
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