介质谐振器天线及其阵列研究

论文摘要

随着现代无线通信技术的发展和无线应用产品的普及,人们对无线通信系统中必不可少的天线提出了更高的要求,例如体积小、重量轻、成本低、性能优等。传统天线因为在高频段的损耗太高和低频段的几何尺寸太大等缺点其应用受到许多限制,介质谐振器天线由于具有天线尺寸小、介质损耗小、不存在表面波损耗和可以设计成任意三维形状以及馈电方式简单及多样等突出优点,引起了人们的广泛关注,是目前国际上研究的一个热点。本文首先简单介绍了介质谐振器天线的国内外研究现状,目前国际上关于介质谐振器天线的几个主要研究方向,详细讨论了介质谐振器的工作原理以及它和普通谐振器相比所具有的一些不可比拟的优点,重点讨论了几种介质谐振器天线的馈电方式,为后续研究奠定基础。本文基于上述关于介质谐振器的基础研究,设计并制作了一个工作频率为9.5GHz的微带线-槽耦合馈电形式的介质谐振器天线单元,测试结果表明这种天线单元不仅尺寸小而且性能优异,天线增益为5.8dB,回波损耗达-30dB;基于单元天线的研究结果设计了频率为9.5GHz的两种天线阵列,一种是八元直线并馈天线阵,另一种是十六元平面并馈天线阵。测试结果为:八元并馈天线阵最大增益达到了12.5dB,H面半功率波束宽度为11°,副瓣电平为-10.9dB;十六元平面天线阵最大增益为15.6dB,H面半功率波束宽度为18°,副瓣电平为-12.6dB;E面半功率波束宽度为23°,副瓣电平为-11.9dB。测试结果和仿真结果吻合较好,根据我们的检索,国内外尚未查到采用介质谐振器天线阵列方法所达到本文的研究结果及水平。最后讨论了介质谐振器天线阵列的互耦,主要讨论了天线阵元处于不同位置时,互耦对天线性能的影响,然后分别讨论了天线阵处于同相馈电和扫描状态时,互耦对天线阵方向图的影响,研究表明,互耦对介质谐振器天线阵影响是非常小的。由于介质谐振器天线具有低互耦等一系列优点,在许多场合将有着巨大的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 介质谐振器天线简介及国内外研究现状
• 1.3 本论文研究的主要工作
• 2 介质谐振器相关理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 介质谐振器
• 2.2.1 介质谐振器概述
• 2.2.2 介质谐振器工作原理
• 2.3 介质谐振器的参数
• 2.3.1 介电常数ε
• 2.3.2 品质因数Q
• 0'>2.3.3 谐振波长λ₀
• 2.4 圆柱形介质谐振器频率特性分析
• 2.5 介质谐振器微带耦合理论
• 2.5.1 介质谐振器的集总参数等效电路
• 2.5.2 介质谐振器微带耦合原理与分析
• 2.6 本章小结
• 3 介质谐振器天线馈电方式研究
• 3.1 引言
• 3.2 介质谐振器天线的馈电方式
• 3.2.1 微带槽耦合馈电
• 3.2.2 微带线直接耦合馈电
• 3.2.3 同轴探针馈电
• 3.2.4 共面波导馈电
• 3.3 本章小结
• 4 介质谐振器天线阵列研究
• 4.1 天线阵列基本理论
• 4.1.1 线天线阵的辐射特性分析
• 4.1.2 平面阵的辐射特性分析
• 4.2 阵列天线的馈电形式
• 4.2.1 并联馈电
• 4.2.2 串联馈电
• 4.3 介质谐振器天线单元分析设计
• 4.3.1 天线结构及所用材料选择
• 4.3.2 介质谐振器天线设计参数分析
• 4.4 介质谐振器天线单元测试与仿真数据比较
• 4.4.1 回波损耗的测量
• 4.4.2 天线方向图测试
• 4.4.3 天线增益的测量
• 4.5 八元并馈直线介质谐振器天线阵列设计研究
• 4.5.1 单元间距确定
• 4.5.2 并联线阵馈电网络设计
• 4.5.3 八元并馈直线介质谐振器天线阵设计制作及测试
• 4.6 十六元介质谐振器平面阵列设计
• 4.6.1 阵方案选择
• 4.6.2 2×2平面子阵列设计
• 4.6.3 16元平面介质谐振器天线设计制作及测试
• 4.7 本章小结
• 5 介质谐振器天线阵列互耦分析研究
• 5.1 引言
• 5.2 互耦的基本概念
• 5.2.1 天线阵的互耦概念
• 5.2.2 互耦效应对天线阵性能的影响
• 5.2.3 互耦对阵元方向图的影响
• 5.2.4 互耦对阵元输入阻抗的影响
• 5.2.5 互耦对阵天线增益的影响
• 5.3 介质谐振器天线互耦分析
• 5.3.1 互耦分析建模及数据分析
• 5.3.2 互耦对介质谐振器天线阵方向图影响分析
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献