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波束切换/可重构圆阵天线的研究与设计

李博仑

  随着近年来移动通信技术的迅猛发展,移动用户数量急剧增加,移动数据流量也将呈爆炸式增长。然而,频谱资源却非常紧缺,因此,用户数量大、频谱资源紧缺的矛盾日益突出。为了解决这一问题,智能天线技术应运而生。智能天线通过控制天线的波束方向和形状提高通信系统的容量和质量,通过波束切换技术和可重构技术等方法实现。天线阵是智能天线系统中的关键器件之一,最常用的是线阵和矩形平面阵,但是这两种天线阵不易提供全方位角波束扫描,并且在扫描过程中波束形状和增益会发生变化,而圆环阵列天线可以弥补以上不足,因此,本文对波束切换/可重构圆环阵天线进行了研究,并取得以下成果:(1)根据圆环阵列天线的基本理论,通过MATLAB仿真对圆环阵的方向性及变化规律进行了探究,主要探究了半径波长比、阵元数目和阵元电流大小对方向图的影响。通过仿真,得到了在水平面形成双波束所需要的条件及阵元电流分布,并且通过循环改变阵元电流大小的幅控方式实现了波束切换功能。(2)设计了一款工作频段为3.4GHz~3.6GHz的内嵌式微带馈电印刷单极子天线,以印刷单极子天线作为阵元,设计了一款6元圆环阵列天线,运用HFSS电磁仿真软件进行仿真优化,实现了单向波束的辐射特性。为了使单向波束具有更好的方向性,又设计了一款加载中心阵元的7元圆环阵列天线,并通过幅控的方式实现了全方位的波束切换。在此基础上,对所设计的天线阵进行了实物加工和测试,得到单向波束最大增益为1.5dBi,前后比约为7dBi,3dB波瓣宽度约为90°,并且可以通过幅控的方式实现波束切换,切换后的波束与切换之前的波束差异不大,验证了仿真结果。(3)设计了一款折合巴伦馈电印刷偶极子天线作为有源振子的准八木天线,工作频段为3.4GHz~3.6GHz。通过偏置电路控制天线中二极管的导通与截止,从而实现方向图可重构。然后以该可重构准八木天线作为阵元天线,组成了8元圆环阵列天线。采用并联型电路结构设计了一款射频开关电路来控制不同位置的两个阵元天线工作。通过切换工作阵元可以实现16个方向的波束扫描,并覆盖整个水平面。在此基础上,又设计了一款微带馈电印刷单极子天线作为有源振子的准八木天线,作为阵元,组成8元圆环阵,并对圆环阵进行了实物加工和测试,测试得到状态1波束最大增益约为4.8dBi,前后比约为10dBi,最大增益方向约为40°;状态2波束最大增益约为5dBi,前后比约为8dBi,最大增益方向约为55°,实测结果与仿真相比性能略有下降,但验证了仿真结果。……   
[关键词]:圆环阵列天线;波束切换;可重构;准八木天线;印刷单极子天线
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:大连海事大学2020年
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