【摘 要】
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随着无线通信技术的飞速发展,各种电子通信设备不断朝着微型化、集成化发展,对宽频带和高通信速率的需求也与日俱增。天线是无线通信系统射频前端链路中发送和接收电磁信号的重要射频器件,其工作性能的优劣对通信质量起着决定性作用。所以,为了顺应当今无线通信的发展趋势,天线器件的小型化、宽带化发展成为了射频微波领域的研究热点。由于同时具备磁导率和介电常数两种能够对天线性能进行优化调控的参数,铁氧体磁介多功能材料
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随着无线通信技术的飞速发展,各种电子通信设备不断朝着微型化、集成化发展,对宽频带和高通信速率的需求也与日俱增。天线是无线通信系统射频前端链路中发送和接收电磁信号的重要射频器件,其工作性能的优劣对通信质量起着决定性作用。所以,为了顺应当今无线通信的发展趋势,天线器件的小型化、宽带化发展成为了射频微波领域的研究热点。由于同时具备磁导率和介电常数两种能够对天线性能进行优化调控的参数,铁氧体磁介多功能材料在天线研发领域的应用受到越来越多的关注。与传统的非磁性介质基板相比,铁氧体磁介材料引入了磁性能这一新维度使得天线的设计更加灵活和多样,为实现小型化宽带化等高性能的天线提供了更多的可能性。本文详细研究了铁氧体磁介材料在几种不同结构天线中的应用,以及铁氧体磁导率和介电常数对天线性能的调控优化作用,探索铁氧体材料对天线性能的调控机理及具体影响规律,为开发出具备小型化高性能的天线器件奠定基础。本文主要研究内容如下:1.从微带天线结构出发,首先研究了铁氧体材料部分加载技术在微带天线中的作用。通过将铁氧体材料嵌入天线基板中并结合开槽技术和地板延长结构,实现了天线的小型化。然后系统性地仿真分析了铁氧体尺寸及加载位置对天线S11性能的影响。另外,为了优化天线的辐射性能,进一步研究了偏置磁场磁化铁氧体带来的影响。仿真研究发现,通过施加合适强度的偏置磁场磁化铁氧体材料可有效提高天线的辐射增益。最终得到的天线尺寸为0.101λ0.433×0.108λ0.433×0.022λ0.433(λ0.433为空气中0.433 GHz对应的波长),天线的峰值增益为1.3 d Bi。2.为了将铁氧体加载技术以低成本、低复杂度和高自由度的方法融入进天线设计中,本文进一步探索了叠层微带天线结构与铁氧体部分加载技术的结合方式。首先设计了一种结合了开槽技术、枝节加载技术以及叠层覆板的多频微带天线,其中,叠层覆板与辐射贴片之间的介质为空气。因此可将铁氧体材料加载于空气层中,这种方法使得天线加工简单且不会影响天线的剖面。研究表明,调整所加载的铁氧体材料的尺寸、位置和介电常数可以有效灵活地调制天线的性能。最终优化得到的天线实物的-10d B阻抗带宽为693 MHz（2.033-2.726 GHz）,相对带宽约为30%,频带内峰值增益为6.14d Bi。进一步地,还研究了磁化铁氧体对天线S11性能以及增益性能的调控情况。在上述加载铁氧体的微带天线基础上,仿真研究了施加不同磁场强度的偏置磁场情况下,铁氧体张量磁导率随频率的变化情况以及天线性能的相应变化,并实测验证了铁氧体对天线的带宽以及辐射性能的调控作用。3.提出了一种基于铁氧体基板的紧凑型对跖平面天线。通过仿真发现,与采用FR-4基板的对跖天线相比,对跖铁氧体天线展现出更大的带宽。并且铁氧体材料展现出的较高介电常数和磁导率使得天线具有更低的工作频率。然后,结合U形槽技术进一步拓宽了铁氧体天线的低频工作带宽,最终得到的天线尺寸为0.2λ0.7×0.2λ0.7×0.66mm(λ0.7为空气中0.7 GHz对应的波长)。天线实测的-10 d B阻抗带宽为0.657-3.8 GHz。4.基于铁氧体磁性能随频率变化的特性,提出了一种小型化阶梯形对跖Vivaldi铁氧体天线。与共面波导馈电和对跖指数渐变开槽天线进行了仿真对比,阶梯形开槽对跖Vivaldi天线展现出更优秀的宽带阻抗匹配性能以及更好的谐波抑制效果,在xoz面还表现出全向辐射特性和更高的峰值增益。同时,得益于铁氧体磁介材料在工作频段展现出的高介电常数和高磁导率,天线的尺寸也得到了有效缩减。最终优化得到的天线尺寸为0.15λ0.9×0.165λ0.9×0.006λ0.9(λ0.9为0.9 GHz对应的波长),经仿真以及实测验证,所提出的铁氧体天线在0.8-0.95 GHz具备良好的增益性能,并且以-10 d Bi增益为标准则该天线的实测谐波抑制频段为1-2.5 GHz。上述研究工作表明磁介铁氧体是一种能够实现兼具小型化高性能天线的优秀材料,铁氧体材料所具备的磁性能为新型高性能天线的设计提供了新的思路。这种具备新特性的铁氧体天线无疑在新兴通信领域具有良好的应用前景。
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