非對(duì)稱共面波導(dǎo)與微帶天線的綜合及應(yīng)用.pdf

1、近年,隨著無線通信需求的不斷增加,寬帶、雙頻無線通信技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。無源器件性能的改進(jìn)以及新型器件的涌現(xiàn)都促進(jìn)了無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展。共面波導(dǎo)(CoplanarWaveguide,CPW)是一種十分重要的微波傳輸線。與微帶線相比,它具有低損耗、高集成度、易于與器件串并聯(lián)等優(yōu)點(diǎn)。它的出現(xiàn)給單片微波集成電路及其相關(guān)領(lǐng)域帶來了里程碑似的革命。非對(duì)稱共面波導(dǎo)(AsymmetricCoplanarWaveguide,ACPW)作為CPW的

2、擴(kuò)展,也得到了越來越多的關(guān)注。在ACPW器件的研究與設(shè)計(jì)中,ACPW的綜合是不可逾越的。
　　 天線作為無線通信系統(tǒng)必不可少的部件,其性能好壞將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重大的影響。微帶天線以其體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。由于無線通信系統(tǒng)對(duì)微帶天線的要求是多種多樣的,因此需要研制相應(yīng)的微帶天線。
　　 在國家自然科學(xué)基金、交通運(yùn)輸部交通應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的資助下,本文對(duì)ACPW和單饋切角圓極

3、化微帶天線的綜合模型、基于ACPW的雙頻帶通濾波器和寬帶定向耦合器、滿足工程應(yīng)用的新型微帶天線進(jìn)行了深入的研究。具體內(nèi)容如下:
　　 (1)根據(jù)保角變換理論推導(dǎo)了有限介質(zhì)厚度ACPW和介質(zhì)覆蓋金屬背敷ACPW的準(zhǔn)靜態(tài)分析公式。以此為基礎(chǔ)并結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)造了它們的綜合模型,并通過保角變換分析、仿真與測試等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的有效性。此外,為了提高介質(zhì)覆蓋金屬背敷ACPW綜合模型的計(jì)算精度,提出了一種將遺傳算法(GeneticA

4、lgorithm,GA)與Levenberg-Marquardt(LM)算法相結(jié)合的混合算法(GA.LM混合算法)。采用該混合算法進(jìn)行訓(xùn)練可使綜合模型的最大相對(duì)誤差小于8.1%,而采用已有算法進(jìn)行訓(xùn)練其最大相對(duì)誤差大于15%。
　　 (2)提出了一種基于非對(duì)稱階躍阻抗ACPW諧振器的雙頻帶通濾波器。與傳統(tǒng)階躍阻抗雙頻帶通濾波器相比,在第一通帶兩側(cè)分別實(shí)現(xiàn)了一個(gè)額外的傳輸零點(diǎn),提高了濾波器的頻率選擇性。此外,提出了一種CPW嵌入式

5、開路諧振器,并應(yīng)用于濾波器的輸入和輸出端,實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立可控的傳輸零點(diǎn),顯著地提高了濾波器的性能。
　　 (3)推導(dǎo)了平行耦合線定向耦合器實(shí)現(xiàn)理想匹配與隔離的必要條件。為了滿足該條件,提出了一種基于ACPW的電容性相速補(bǔ)償技術(shù)。以此為基礎(chǔ),研制了一個(gè)寬邊耦合CPW定向耦合器,其隔離度大于20dB的相對(duì)帶寬從25%提高到了61.8%。為進(jìn)一步提高隔離度,又提出了一種將缺陷地結(jié)構(gòu)(DefectedGroundStructure,DGS)

6、與ACPW相結(jié)合的改進(jìn)方案。改進(jìn)后寬邊耦合CPW定向耦合器的最大隔離度為57.2dB,隔離度大于20dB的相對(duì)帶寬達(dá)81.1%。
　　 (4)提出了兩個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的微帶天線綜合模型。模型一應(yīng)用于傳統(tǒng)單饋切角圓極化微帶天線,模型二應(yīng)用于可調(diào)諧單饋切角圓極化微帶天線。該模型可計(jì)算出單饋切角圓極化微帶天線的兩個(gè)重要設(shè)計(jì)參量(正方形貼片大小和切角尺寸),顯著地提高了天線的設(shè)計(jì)效率。電磁仿真和加工測試驗(yàn)證了該模型的有效性。
　　

7、 (5)提出了一種低交叉極化低駐波比寬帶線極化微帶天線。通過采用疊層貼片配置和二維蜿蜒帶條饋電技術(shù),將微帶天線電壓駐波比小于1.2的阻抗帶寬提高到了22%(804-1002MHz),在此頻率范圍內(nèi)E面和H面交叉極化電平都小于-20dB。此外,對(duì)該微帶天線進(jìn)行了參數(shù)化研究,給出了設(shè)計(jì)指南。
　　 (6)提出了水平蜿蜒帶條饋電技術(shù),采用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配和得到對(duì)稱的輻射方向性圖。以此為基礎(chǔ),針對(duì)超高頻射頻識(shí)別(RadioFr

8、equencyIdentification,RFID)讀寫器研制了兩個(gè)單饋寬帶圓極化疊層微帶天線,其軸比小于3dB的圓極化帶寬分別為10.8%(838-934MHz)和13.5%(838-959MHz)。在圓極化工作帶寬內(nèi)電壓駐波比均小于1.5,增益都大于8.5dBi,天線指標(biāo)滿足工程應(yīng)用。
　　 (7)提出了一種應(yīng)用于海事衛(wèi)星通信BGAN終端的2×2連續(xù)旋轉(zhuǎn)微帶天線陣。該天線陣引入了不等輸入阻抗天線單元和ACPW串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)。

9、該天線單元為切角圓極化微帶天線,其饋電結(jié)構(gòu)為三維蜿蜒帶條,調(diào)整饋電帶條的物理尺寸可非常容易地實(shí)現(xiàn)不等輸入阻抗且不影響其輻射特性。與微帶串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)相比,ACPW串聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)具有較低的輻射損耗,并且與不等輸入阻抗天線單元相結(jié)合,提高了饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)靈活性。測試結(jié)果表明,電壓駐波比小于1.5的阻抗帶寬達(dá)40.5%,軸比小于3dB的圓極化帶寬達(dá)25.6%,在BGAN系統(tǒng)工作頻率范圍內(nèi)天線增益大于11.6dBi。所設(shè)計(jì)的天線陣滿足了BGAN終端