宽频带天线的研究与设计.pdf
摘要
随着无线电技术的不断发展,无线通信系统频谱资源日渐紧张,且越来越多的无线设备
需要在不同频率范围或一个宽频带范围内实现高效的数据传输和通信,因此,具有宽频带甚
至超宽带性能的前端射频天线,逐渐成为人们研究与设计天线性能中的热点之一。同时,现
代无线电技术面临的应用环境日益复杂,天线的设计也必须根据实际应用指标及需求进行优
化,从而充分发挥系统的性能。小型化、轻量化且电性能良好的天线也是研究设计中的必然
追求。本文针对不同应用场景下宽带天线的需求,分别根据具体指标研究并设计了两款加载
介质透镜的超宽带天线,以及一个低剖面复合螺旋天线。
首先,针对医疗检测系统中对天线宽频带、高增益的应用需求,本文设计了一款加载介
质透镜的环耦合平面螺旋天线,该天线由环耦合平面阿基米德螺旋天线作为辐射主体,同时
在顶部加载半球形介质透镜,底部设置金属圆台形反射背板,实现了调整波束形状和提高天
线增益的目的。实际装配的天线高度约为87.53mm,实测结果表明天线在3-12GHz工作频
带内S11小于-10dB,轴比小于3dB。此外,天线的3dB波束宽度基本小于70°,增益可达8
dB以上,呈现出良好定向辐射特性。
其次,基于相似的应用场景,本文还设计了一款加载介质透镜的超宽带平面正弦天线作
为应用拓展,引入扩展半球形介质透镜和金属圆台形反射背板,改善天线电性能。实测天线
VSWR2的阻抗带宽为0.86-10.39GHz,接近12:1的宽频比,同时,天线具有较窄的3dB波
束宽度(30°-50°)与大于7.20dB增益表现。
最后,针对区域环境检测、频谱测向系统方面的应用,本文设计了一款加载频率选择表
面(FrequencySelectiveSurface:FSS)吸波器的低剖面复合螺旋天线,该天线将阿基米德螺
旋线与等角螺旋线复合,并在阿基米德螺旋臂加载正弦函数曲折处理的方法构造出小尺寸天
线辐射体,最后利用FSS单元的吸波特性构造出天线的吸波腔体,以实现天线单向辐射。加
工的天线剖面高度仅为33.70mm,实测结果显示在2-6GHz内VSWR均小于2,轴比均小
于3dB,增益大于4dB,拥有稳定的圆极化辐射性能。
关键词:宽频带,螺旋天线,正弦天线,介质透镜,频率选择表面
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofradiotechnology,thespectrumresourcesofwireless
communicationsystemsarebecomingincreasinglyscarce.Moreandmorewirelessdevicesrequire
efficientdatatransmissionandcommunicationwithinawidefrequencybandorevenultra-wideband
range.Therefore,front-endRFantennaswithwidebandorevenultra-widebandperformanceshave
graduallybecomeoneofthehotspotsinantennaperformancesresearchanddesign.Atthesametime,
modernwirelesstechnologyfacesincreasinglycomplexapplicationenvironments,andantenna
designmustbeoptimizedaccordingtoactualrequirementsandspecifications,soastogivefullyplay
tothesystemsperformance.Antennaswithminiaturized,lightweightcharacteristics,andgood
performancesarealsonecessaryrequirementsforresear