可重构磁电偶极子天线设计

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移动通信的飞速发展,对高数据速率、高可靠性的无线通信系统提出了更高的要求。越来越多的系统需要将多个无线射频集成在一个平台下以保证最大的连通性。引入可重构概念到天线之后,使得天线行为能够适应不断变化的系统需求或环境条件,继而可以改善或消除各种限制,并为系统提供多样的功能。可重构天线在避开噪声源,提高信道容量,增加辐射覆盖率,避免多径衰落效应以及提高系统稳定性等方面有着突出的优势,因此可重构天线的设计近年来越来越得到广泛的关注。另外,Luk此前提出的磁电偶极子天线在各方面拥有着突出的特性。它实现了较宽的工作带宽,相对带宽达到了43%。并且在工作带宽内,天线拥有较高且比较稳定的增益。同时,天线方向图还具有低后瓣以及较低交叉极化的优良性能,从而磁电偶极子天线在移动通信中具有巨大的应用潜力。在以上研究的基础上,本论文设计了几个可重构的磁电偶极子天线,包括了方向图(波束宽度)可重构、极化可重构、频率可重构三种功能的磁电偶极子天线。本文主要的创新点如下:1、设计了一个波束宽度可重构的磁电偶极子天线。该天线通过控制变容二极管的电容,改变了寄生贴片与磁电偶极子天线之间的耦合强度,因此可以灵活地调整E面和H面上的天线波束宽度。与之前提出的具有可重构波束宽度的磁电偶极子天线相比,该天线不仅能够分别独立地调节E面或H面波束宽度变化,还可以通过调节变容二极管使得天线E面与H面波束宽度同时发生改变。实测结果表明所提出的天线的波束宽度在2—2.1GHz频带内实现了约50度的可调范围。2、提出了一种新型的频率可重构的磁电偶极子天线。通过调节变容二极管的容值改变了基于矩形波导的磁偶极子的电场分布,实现了磁电偶极子天线的工作频率在一定范围内的连续可调。并且此时天线方向图保持稳定。仿真结果表明所提出的天线在3.49—5.8GHz的频带范围内连续可调,并且方向图实现了高于15dB的前后比和低于-40dB的交叉极化。3、设计了一种极化可重构磁电偶极子天线。通过切换二极管开关的两种状态,从而控制水平贴片的连接或断开,最终可以激发出线极化、左旋和右旋圆极化三种极化波。与之前提出的极化可重构的磁电偶极子天线相比,论文所提出的天线采用了简单的结构,同时实现33.9%的相对有效重叠带宽,并且在有效带宽内实现了约8.2dB的稳定增益。
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