【摘 要】
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信息技术的高速发展和5G技术的逐渐普及,提高了对通信配套设备的要求,首当其冲的便是发射或接收电磁波的媒介-天线。天线种类众多,其中微带天线具有体积小、易于集成等特点,深受广大使用者的青睐;而多频段天线可以有效降低研发及安装成本,与单频段天线相比具有不可比拟的优势。若要进一步提高天线性能,可以采用天线阵列进行波束赋形,而在天线波束赋形中采用优化算法进行分析设计可有效解决天线设计工作量较大的问题。本文
【基金项目】
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国防科技重点实验室基金项目(6142807190212);
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信息技术的高速发展和5G技术的逐渐普及,提高了对通信配套设备的要求,首当其冲的便是发射或接收电磁波的媒介-天线。天线种类众多,其中微带天线具有体积小、易于集成等特点,深受广大使用者的青睐;而多频段天线可以有效降低研发及安装成本,与单频段天线相比具有不可比拟的优势。若要进一步提高天线性能,可以采用天线阵列进行波束赋形,而在天线波束赋形中采用优化算法进行分析设计可有效解决天线设计工作量较大的问题。本文主要针对多频带天线设计及阵列天线的优化算法进行了相关研究,设计了可应用于5G设备的多频段天线,分析了基于优化算法的阵列天线的波束赋形。首先,提出了一种在辐射单元上加载对称谐振臂的方法,设计出了一款可应用于5G通信的双频段微带天线。该天线由辐射单元、介质基板和接地板构成,介质基板材料为FR4环氧树脂。辐射单元中的外侧大圆环用于激发低频谐振,而位于外侧圆环内部的小圆环则是用于激发高频谐振。为了进一步提高天线性能,在辐射单元上设置了对称谐振臂,使得微带天线的回波损耗得到降低的同时,增益得到了进一步的提高。经过对辐射单元的结构优化,使得天线可工作于3.27~3.80 GHz和4.80~5.08 GHz的双频段,对应的中心谐振点为3.5 GHz和4.9 GHz,可满足当前国内对于5G频段的要求。其次,为实现天线的高增益设计了一款采用超表面辐射单元结构的双频5G天线。所设计的超表面天线由辐射单元、接地板、馈电结构及两层介质基板构成,其中两层介质基板材质分别为F4BM265和F4BM350。通过特征模分析法分析超表面的模式因子曲线,并选择出所需要的工作模式。进一步根据所需模式的电流分布确定了接地板结构,电流分布和接地板结构共同决定了馈电结构。对天线进行制备并测试了其S11值、远场辐射方向图和增益,结果表明仿真与测试结果基本吻合。所设计的天线实现了3.43~3.58GHz和4.61~5.08 GHz的双频特性,证明了该天线可应用于5G通信系统中。最后,为进一步提高天线性能结合优化算法分析了阵列天线的波束赋形。使用麻雀搜索算法快速计算出了阵元天线的振幅和相位,综合出了期望方向图。算法的应用大大提高了工作效率和准确度,实现了阵列天线的方向图控制。并与其它已有算法进行了对比分析,验证了实验的可行性,为实现波束赋形提供了理论支持。随着5G技术的发展,微带天线和超表面天线的需求将不断增加,阵列天线的波束赋形的研究力度也会逐渐加大。在此背景下本文所研究的双频微带天线、双频超表面天线和阵列天线的波束赋形具有广泛的发展前景,可广泛应用于无线通信、雷达、卫星通信、航空航天等领域。
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