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摘要近年来，通信技术发展迅猛，对于各个频段的利用也越发充分，出于工程上的种种需求，天线的小型化也越发地重要。其中，在UHF（特高频Ultra High Frequency）频段，其主要使用范围，基本集中在 400MHz 左右，波长在 0.75m 左右。因其波长较长，在此频段实现天线的小型化是有一定难度的。 本文首先采用低剖面的同轴馈电矩形微带贴片天线，实现较低的剖面，因其带宽、增益性能不理想。又尝试宽带单极子天线的结构，虽然具有较好的带宽，但是增益依旧不理想。为此，本文引入了人工磁导体（AMC）结构，分析了其性能参数特性，并将其作为反射面加载在单极子天线的下方，成功在 400MHz 实现了较低剖面的，同时具有较高的增益和较大的带宽。经分析发现可以通过改变 AMC 表面参数控制天线整体的频点和带宽。最后，本文采用了具有特殊反射相位特性的 AMC 表面，实现了天线的圆极化。30914
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毕业论文关键词 UHF 低剖面 单极子 AMC 高增益 宽带 圆极化
Title A Low Profile High-Gain UHF Antenna Using Artificial Magnetic Conductors Surfaces
Abstract In recent years, for the rapid development of communications technology, the use of each band is also more fully. Out of a variety of engineering requirements, the miniaturization of antennas is increasingly important. Among them, the UHF (Frequency Ultra High Frequency) band, it is basically concentrated around 400MHz, with wavelength of 0.75m. Because of its longer wavelength, it is more difficult achieve antenna miniaturization in this band. Firstly, a low-profile coaxial fed rectangular microstrip patch antenna is used. Although lower profile is achieved, its bandwidth and gain performance is not very well. So, a broadband monopole antenna structure is used, while a good bandwidth achieved, the gain is still not very well. For this reason, the artificial magnetic conductor (AMC) structure is introduced. Its parameters characteristics are analyzed. The AMC structure is used as a reflective surface loaded under the monopole antenna. Finally, low profile, a higher gain and larger bandwidth are successfully achieved in the 400MHz. The analysis found that the antenna's frequency and bandwidth can be controlled by the AMC surface parameter. Finally, the AMC structure with special reflective surface phase characteristics is used to achieve a circularly polarized antenna.
Keywords UHF low-profile monopole AMC high-gain broadband circularly-polarized
目次
1绪论·1
1.1UHF频段天线小型化课题背景1
1.2国内外研究现状.1
1.3本文主要内容..4
2UHF频段微带天线设计5
2.1同轴线馈电的矩形微带贴片设计5
2.2宽带微带馈单极子天线设计..8
3基于AMC的高增益天线设计10
3.1AMC结构的基本理论.10
3.2AMC结构性能仿真..13
3.3基于AMC表面的高增益单极子天线设计.18
3.4基于AMC表面的圆极化天线设计探索..22
结论·27
致谢·28
参考文献·29
附录·31
1 绪论 1.1 UHF频段天线小型化课题背景 近年来，随着通信技术的迅猛发展，技术更新水平日新月异。与此同时，对于无线通信的要求也越来越高，其中包括无线通信业务的复杂化、多样化、小型化，同时也要求有限的频率资源能够更加高效地加以利用率。天线技术自然是站在了整个通信系统的最前端，所以为了实现通信系统整体的小型化，天线的小型化无疑是非常重要的。 而UHF（特高频Ultra High Frequency）频段的范围虽然是300~3000MHz，也就是说波长在1m~1dm 范围内，但是主要使用范围，基本集中在400-470MHz之间，也就是说其波长在0.75m左右。因为天线的尺寸和效率、带宽均呈现出反比关系，所以波长尺寸会直接影响其电性能，也就是说，要求天线工作的频段越低，就越难减小其尺寸，因此在此频段实现天线的小型化是有一定难度的。 设计天线，首先需要使天线满足如方向图、增益、阻抗及极化特性等各类技术指标，性能是一切的基础。一般认为，不管在三文结构中，我们缩小哪一文度的尺寸上的，都可以说成功实现小型化。在满足性能要求的基础上，尽量实现小型化，就要求我们能够兼顾各方面因素的相互作用，在减小天线尺寸方面，采取一些合理的手段，以达到目的。 1.2 国内外研究现状 目前，天线小型化正愈来愈热门，而且随着天线技术的迅速发展，天线小型化的实现手段也呈现出多样化。其中比较传统的方法包括表面开槽、附加有源网络、天线加载的方法以及采用相对介电常数更高的介质层等等。其中前三者主要的思路，就是通过在在天线上开槽，或者在天线上增加导体、阻抗性原件甚至有源性网络，改变电流分布，从而达到改变天线的谐振频点的目的。而使用相对介电常数更高的介质层的方法，就是通过更高的相对介电常数，从而减小相对电长度，达到改变频点的目的。但是更高的介电常数也往往会带来损耗的增加，导致增益的下降。 除去传统的方法，目前，国内外也有很多新型的技术，都较好的实现了天线小型化，其中，小型化最明显的发展方向，是演变为平面印刷结构天线。其中，微带贴片天线使用得最为普遍，非常基本。它由带地板的介质基片加上薄导体贴片组成。馈电形式为微带馈、同轴馈，电磁场从导体、接地板之间激励起，从贴片和接地板间的缝辐射。其基片厚度基本是远远小于波长的，因而在剖面上实现了一文小型化。相比于一般的微波天线，微带天线有很多优点：剖片薄、体积小、重量轻，具有平面结构，并可以与各种载体表面共形；而且能够与有源电路集成，可使用印刷电路工艺批量加工生产，方便且造价低。但是其常规设计带宽窄，相对带宽约为1%-7%；而且会有导体和介质损耗，激起表面波，从而降低辐射效率；而且由于本身结构的限制，功率容量小。 对于贴片天线，我们还可以采用一些处理手段，以实现小型化。例如，我们可以采用折叠贴片或者对极子天线进行折叠的方法，通过这种折叠的处理手段。可以在保证相同的电长度情况下，使天线在三文层面上缩小体积，这是较为直观的小型化方法，图1.1给出了一个小型化圆极化折叠天线结构示意图，整个天线利用泡沫支撑起来，将原微带天线的四个边缘先向下折叠，然后再向内折叠；双频则是利用两个类似的结构上下进行叠加实现的。天线整体采用单馈馈电方式，对天线的内折叠长度和天线的馈点位置进行优化。最优化天线的阻抗带宽以及轴比带宽[1]。图1.2为折叠双频天线，图上是结构示意图，馈电结构是梯形的，这里的小型化天线采用的实现方法也是折叠，梯形的形状是馈电方式的形状，这种馈电方式使天线的阻抗带宽得以进一步提高[2]。天线上的贴片上下两个结构所实现的功能就是在频段上实现双频，使用弯曲的折叠过渡结构把下面的正方形贴片结构和上面的环形贴片结构连起来接。图1.3展示的折叠天线是一种采用了附加加载技术的天线，贴片天线折叠方式是的两边同时向内侧弯，并在弯曲折叠的水平面上加载倒L型接地板。相比于原来微带天线，折叠天线的尺寸可以减少53.9％[3]。
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