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针对室内小型基站系统对重发天线的宽带化、小型化和简单化要求,采用贴片天线,以E形结构为原型,进行重发天线的设计。E形微带天线具有结构简约、频带较宽、性能稳定等特点,已得到广泛应用。但E形天线的宽带化需要有较厚(0.05λ以上)基板来支撑,这为实际小型基站系统空间尺寸所不允许。减薄E形天线基板,则会引起带宽变窄、辐射性能变差等问题。基于此,本论文以较薄基板(约为0.02λ)E形天线为原型,通过结构变形、缝隙加载、结构非对称化等方法,在较薄基板上进行小型宽带微带天线的设计,以满足小型基站系统的应用要求。 论文首先通过结构变形,以实现较薄基板E形天线性能的改进。对较薄基板E形微带天线的分析发现,利用双谐振特性同样可以拉宽天线工作频带。但高低频谐振点的辐射元电流分布不同,导致高低频谐振点的天线增益差值较高,并引入较大的交叉极化,同时在2.5GHz附近产生较强高阶谐振辐射,可能对WLAN系统产生干扰。为此,在E形天线的非切口侧辐射边引入“凹”形缺口。结果表明,“凹”形口有助于实现高低频电流路径较为一致的对称倾角,从而在工作频带内得到较为一致的天线增益。并在保证天线覆盖频段的同时使天线尺寸有一定程度的减小。还可发现,“凹”形辐射边可限制横向电流分布,从而有效地抑制了2.5GHz附近高阶谐振辐射。但由于两谐振点的表面电流仍是沿贴片两对角方向,带“凹”形口天线依然存在较大的交叉极化。基于此,进一步设计了具有梯形轮廓的E形天线。由实验结果可知,天线在DCS1880频带的绝对带宽为150MHz,天线尺寸为91mm×37.9mm。由于梯形轮廓的限制,两谐振点的表面电流更一致的趋于纵向分布,因此天线具有较好的方向图频带特性和较小的交叉极化分量,同时也能对高阶谐振幅度实现有效陷波。 缝隙加载是实现微带天线小型宽带化的常用方法。在分析内嵌缝隙和开口缝隙作用原理基础上,对E形天线两侧非辐射边引入矩形条内嵌缝隙的研究表明,非辐射边缝隙加载并不会明显改变天线的表面电流分布,但在高频端引入缝隙辐射模。为使缝隙模向工作频带靠近,将矩形条缝隙向辐射边延伸形成L形缝隙,发现在保证工作频带同时可有效地减少天线尺寸,这是因为缝隙模使工作频带内的高频谐振点频率下移,可见由缝隙模挤压原工作频带内高低频谐振点将有助于天线尺寸的减少。但由于缝隙主要居于非辐射边,其辐射场极化与主极化正交,故即使缝隙模下移至工作频带从而更大地展宽工作频带,其辐射场特性并非设计所期望。对非辐射边的切口缝隙加载,虽可能产生与主极化一致的辐射场,但由于实际尺寸限制只能利用较短缝隙,并不能产生对应的缝隙模;如增加缝隙长度,则会大幅度地改变原贴片电流分布。为此,对E形切口侧辐射边进行开口缝隙再加载。结果表明,相同介质基板的天线在DCS1880频带的绝对带宽为145MHz,其尺寸为79.9mm×37.9mm。这表明辐射边切口缝隙加载后,利用其缝隙模的挤压作用及对工作频带内横向电流的抑制作用,可在减少天线尺寸的同时,保持有较大的工作带宽,并且在工作频带内具有较一致的方向性和较低的交叉极化,同时对高阶谐振辐射具有良好的抑制作用。 最后,论文提出利用非对称结构产生双谐振特性,实现天线的小型宽带化。在此以WCDMA频段为设计实例,实验结果表明,非对称结构在保证天线带宽和基本不变的方向性同时,能较大幅度减少天线尺寸。但要注意的是,在产生宽带特性的双频谐振点上,由于结构的不对称,其辐射波极化方向可能相互正交,或产生圆极化特性,因此在设计中要加以仔细调整。 以上三类天线结构设计中,梯形轮廓E形天线结构较为简单,辐射边切口缝隙天线的极化特性较好,而非对称结构天线具有更小的天线尺寸。它们都能满足室内小型基站系统对天线结构和带宽的要求。