【摘 要】
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随着物联网逐渐向万物互联发展,天线的设计面临着各种不同、越来越多的应用场景需求。通常某种特定的场景下,无线系统的天线需要具备不同的辐射模式。针对以上需求,特定波束天线研究与设计显得愈发重要。特定波束天线指的是根据特定场景进行天线远场辐射特性调制与设计的天线,而方向图相乘原理是天线实现特定波束的有效手段。同时,使用方向图相乘原理能提高研究者对天线波束调控的自由度,进而实现工程应用及学术研究要求下特定
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随着物联网逐渐向万物互联发展,天线的设计面临着各种不同、越来越多的应用场景需求。通常某种特定的场景下,无线系统的天线需要具备不同的辐射模式。针对以上需求,特定波束天线研究与设计显得愈发重要。特定波束天线指的是根据特定场景进行天线远场辐射特性调制与设计的天线,而方向图相乘原理是天线实现特定波束的有效手段。同时,使用方向图相乘原理能提高研究者对天线波束调控的自由度,进而实现工程应用及学术研究要求下特定的辐射方向图。本文针对三种应用场景,基于波束调控的方式提出了三种特定波束天线。(1)提出了一种面向电磁能量收集场景的圆极化、宽波束天线。所提出的天线主要用于2G/3G/4G/5G及WIFI频段的电磁能量收集,且在2.45GHz频段有较好的能量收集效果。天线通过耦合激励周边寄生结构引入与单极子类似的辐射方向图,进而与主辐射贴片辐射方向图相乘实现宽波束特性,并减小了带内阻抗波动。同时,天线通过使用切角辐射贴片及非对称馈电的方式,引入电流幅度相等,相位正交的TM10模及TM01模实现圆极化辐射,并使用耦合馈电进一步提升天线的带宽。所提出的天线在保持0.11λc(λc为2.45GHz对应的自由空间波长)剖面高度的情况下,实现了22.9%的阻抗带宽,5.8%的轴比带宽,以及164°实测峰值半功率波束宽度与156°实测峰值3dB轴比波束宽度。(2)提出了一种面向无线能量信息同传应用的副瓣波束增强天线。通过对天线进行波束调控实现高增益主瓣(用于传输能量),同时使剩余的辐射能量集中于副瓣,用于传输信息。首先,通过加载寄生环及贴片结构引出了XoY面即主辐射贴片所在面的副瓣,使其XoY面有一定增益的同时,其辐射方向图保持了较好的方向性。天线实测主瓣峰值增益7.5dBi,XoY面增益大于0dBi。进一步地,为了提升天线的XoY面增益与前后比,通过加载寄生微带和缺陷地结构的方式改进了用于能量信息同传的副瓣波束增强天线性能。其中通过加载寄生微带引入新的辐射模式提高天线XoY面增益,并引入缺陷地结构改变金属反射面上电流分布从而抑制后向辐射。所提出的天线实现了XoY面仿真平均增益1dB以上的提升。最后,验证其应用于能量信息同传的可行性,分别对提出的副瓣波束增强天线在进行信息传输的同时,定向给节点提供能量的理想场景与实际场景进行了实验验证。(3)提出了一种可用于集成在岸船无线通信场景的多频段共口径天线阵列具有小型化及恒定波宽特性的滤波天线单元。所提出的天线通过应用滤波巴伦的方式引入辐射零点继而实现低通滤波响应。同时,通过在天线上加载寄生贴片延长了电流路径,实现了带宽的拓展与小型化。进一步地,为了弥补天线实现小型化对波束宽度产生的影响。通过引入多个参量,包括折叠振子臂与引入垂直面金属墙等方式,提升波束调节的自由度,实现恒定的波束宽度。所提出的天线在较小的尺寸下实现65±5°恒定波宽的同时,实现在较宽的频带内(0.69GHz至0.96GHz)的高辐射效率与较宽的阻带内(1.7GHz至4.0GHz)超过13dB的增益抑制。并且其带内辐射稳定,带内增益变化范围为8.5dBi至9.6dBi,带内辐射效率超过90%。
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