基于第五代移动通信的高性能小型化天线的研究与设计
随着人类对第五代移动通信服务种类日益增长的实际需求,由于信息种类和数量的急剧增多,对5G天线提出了更高的要求。一方面,传统单一的线极化天线由于存在多径衰落,在一定程度上已经难以满足当前实际应用。为了在一定程度上客服通信系统的多径衰落以及更有效的利用有限的频谱资源,天线分集技术近年来日益凸显重要。另外一方面,由于天线存在“宽频带-宽覆盖面-高增益-小型化”的矛盾关系,即在实现宽频带情况下,难以同时拥有宽覆盖面、高增益、小型化特征。因此,如何让天线实现双极或多极化的同时最大程度上获得稳定的增益、宽覆盖面和小型化,这是当前5G天线设计中需要解决的现实问题。本文根据以上现实需求,结合国内外5G天线的研究现状,进行了较为深入的研究和探索,分别设计了两款天线,具体如下所示:首先,针对5G通信对双极化、宽波束天线越来越广泛的需求,提出了一种基于5G微蜂窝系统的双频双极化宽波束的磁电偶极子天线。与以往传统的磁电偶极子天线不同,该天线在实现双线极化性能的同时通过设计特定的上下两层结构的电偶极子,实现了天线的双频特性。更值得注意的是,本设计中引入两种展宽波束宽度的方法,其一,将反射面设计成倾斜的四面体结构;其二,上下两层的电偶极子结构均向外倾斜一定的角度,这两种方式均在不同程度上重新改变了磁电偶极子结构的辐射场。最后,在鉴于该双极化天线单元的基础上,设计了一个共形的三单元MIMO天线系统,能够获得一个360度范围的全向辐射方向图性能,并且在两个频段内均能获得低于2×10-4良好的ECC和几乎完全一致的MEG性能。接着,本文针对天线的小型化、宽频以及低成本的需求,提出了一种基于折纸结构的宽频双极化的可折叠的天线。通过将传统的折纸结构巧妙地应用于天线设计中,不仅实现了天线的可折叠小型化性能,而且在很大程度上减小了制备成本。该天线在展开状态下的天线尺寸为129.9×150×31.5 mm3,而在折叠情况下的尺寸为129.9×150×4 mm3,仅为展开状态下尺寸的13%。并且,在实现良好的带宽情况下获得了高达7.7dBi稳定的增益性能。接着,基于可折叠天线单元的研究基础,还设计了一个可折叠天线阵列,该天线阵列在有效的带宽范围内获得了高达14.4dBi的增益特性,以及高达121度的波束宽度。最后,本章还设计了一个可折叠的MIMO天线,通过两步折叠过程,能够实现良好的可折叠小型化性能。本文研究了双极化、宽波束、可折叠小型化以及磁电偶极子天线的相关理论,针对当前第五代移动通信系统越来越广泛的需求,分别设计了两款双极化、宽波束或可折叠小型化天线,具有一定的应用前景和学术价值,推动5G通信的发展。
- 作者：
- 祝灿
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 冯波涛
- 中图分类号：
- TN828.6
- 关键词：
- 双极化；宽波束；折纸天线；可折叠性；小型化
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