紧凑型微带圆极化MIMO天线的研究

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无线通信技术的快速发展使得通信系统具有高集成度、大容量的特点,因此通信系统中的天线逐渐趋于多极化、小型化和宽带化。圆极化波(CP)因在无线电波传播中具有避免极化失配、拓展天线带宽等方面的重要优势,被广泛关注。圆极化多输入多输出(MIMO)天线系统不存在发射器天线和接收器天线之间的极化失配问题,在扩大信道容量、提高频谱效率和降低生产成本等方面具有突出的特点,实现了高质量的无线通信系统。传统的微带圆极化天线因具有较高的品质因素,所以其相对带宽较窄且频带单一;并且多数圆极化天线仅能辐射单个旋向的圆极化波,不能满足通信系统对极化多样性的需求。因此,本文提出并制作了三款不同类型的微带圆极化天线。主要研究内容如下:1)提出了一款采用由两个同侧矩形条组成的半圆形槽接地面结构的微带双圆极化天线,解决了多数圆极化天线辐射圆极化波单一、相对带宽较窄的问题。该天线通过在左上角的矩形贴片上蚀刻一个半圆形槽,优化天线的圆极化辐射性能。通过调整天线的半圆形槽的大小及位置可以更换其工作频段。仿真结果表明该天线及其镜像天线可在同频段内产生左旋圆极化波和右旋圆极化波。该天线在2.86-4.09GHz频段产生共振,双圆极化轴比带宽达到9.42%。提出的天线具有极化多样性,辐射性能良好。2)提出了一款采用由辐射面的非中心L型馈电和接地面的嵌入式圆形贴片组成的新型结构的紧凑型宽带双频微带圆极化天线,解决了微带圆极化天线带宽窄、频带单一的问题。通过调整地面上两个圆形贴片的尺寸和中心位置,可以提高天线的阻抗匹配。该天线的实测结果表明天线的阻抗带宽为46.4%(1.82-2.92GHz)以及40.5%(3.15-4.75GHz),天线在Wi-Fi(2.4-2.48GHz)和Sub-6G的n77(3.3-4.2GHz)频段上产生了右旋圆极化波。提出的天线满足了无线通信技术对多频带、宽频段和小型化的需求。3)提出了一款采用由I型和II型贴片垂直交叉组成的新型解耦结构的紧凑型四端口双圆极化MIMO天线,解决了现阶段多数MIMO天线尺寸大、耦合度较高的问题。该MIMO天线在不同的端口可以辐射左圆极化波或右圆极化波。新型解耦结构在天线的接地面交叉连接并合并,使得天线获得宽轴比带宽和高隔离性能(16d B)。该解耦结构将MIMO天线的四个单元连接起来而形成共性接地面,保证了设计的MIMO天线具有可实用的性能。实测结果表明,天线的阻抗带宽为14.6%(3.28-3.80GHz),轴比带宽为30.3%(2.85-3.87GHz),仿真与实测的结果基本一致,误差较小,天线相关系数、方向图等指标都满足技术要求。
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