无线通信系统中差分双频封装天线及宽带接收机研究与设计（范文）

第一篇：无线通信系统中差分双频封装天线及宽带接收机研究与设计（范文）

无线通信系统中差分双频封装天线及宽带接收机研究与设计 【摘要】：随着无线通信的发展,移动终端已经发展成为个人智能设备。射频前端作为移动终端的重要组成部分,其向着小型化、多标准接入、低成本和高性能方向发展。封装天线是解决系统高集成度最有前景的方案,其研究受到了广泛的关注。同时,无线通信系统要求射频前端拥有宽频带和多频段工作的性能。因此,本文主要研究了差分双频封装天线和宽带的射频接收机。论文的主要内容如下：首先,介绍了差分双频封装天线的研究和发展现状、描述天线基本性能的几个重要参数,以及天线的数值分析方法。同时,介绍了典型射频接收机结构和技术指标。其次,提出了一种多层结构的差分双频封装天线(AiP),主要研究了封装结构和T型缝隙对天线性能的影响。封装结构的引入激励了一个新的谐振点,使得天线实现双频工作,并提高了阻抗匹配性能。T型缝隙的引入优化了高频段的匹配性能并抑制了高次模对高频辐射性能的影响,使得高频方向图的分瓣现象得到了改善。测量结果表明,该天线工作于2.49GHz和5.8GHz,与仿真结果基本吻合,10dB相对带宽分别为1.61%(2.47-2.51GHz)和5.51%(5.67-5.99GHz),且具有良好的辐射性能。最后,提出了一种采用零中频解调方式的宽频带接收机。该接收机采用LinearTechnology公司的LT5575和LT6600-20芯片实现解调、基带信号滤波和放大的功能。测试结果表明,该接收机实现了良好的宽带工作,工作带宽为1.2GHz(1.5GHz-2.7GHz),并且在整个工作频段内实现较好的性能,解调信号的带宽为20MHz,接收机

增益约为13dB,射频信号的最小接收功率为-25dBm。同时,本文采用GSM信号进一步测试了接收机的接收性能。【关键词】：无线通信系统封装天线差分天线双频天线宽带接收机零中频接收机 【学位授予单位】：山西大学 【学位级别】：硕士 【学位授予年份】：2013 【分类号】：TN820;TN858 【目录】：中文摘要8-9ABSTRACT9-11第一章绪论11-231.1课题研究的背景及意义11-121.2无线通信系统中天线的研究现状12-141.2.1封装天线12-131.2.2差分天线13-141.3微带天线的双频技术14-151.4典型射频接收机的结构15-171.4.1超外差接收机结构15-161.4.2零中频接收机结构16-171.5本文的研究内容和主要贡献17-18参考文献18-23第二章天线基础理论及接收机的技术指标23-302.1天线的基本参数23-262.1.1天线的输入阻抗、驻波比和回波损耗23-242.1.2天线的辐射方向图和方向性24-252.1.3天线的增益252.1.4天线的频带宽度25-262.1.5天线的极化特性262.1.6天线的效率262.2天线的数值分析方法26-272.3接收机的技术指标27-282.3.1噪声系数27-282.3.2灵敏度282.3.3动态范围282.4本章小结28-29参考文献29-30第三章差分双频封装天线研究与设计30-413.1引言303.2差分双频封装天线研究与设计30-393.2.1差分天线的理论30-313.2.2天线的设计及其结构31-333.2.3天线的性能分析33-383.2.4测量结果及分析38-393.3本章小结39-40参考文献40-41第四章宽带

零中频接收机的研究和设计41-484.1引言414.2接收机的设计41-434.2.1接收机电路的总体设计41-424.2.2解调芯片的电路设计424.2.3滤波和放大电路的设计42-434.3接收机实际电路的测试和分析43-464.4本章小结46参考文献46-48第五章天线和接收机的测量48-545.1天线的测量48-525.1.1天线S参数的测量48-495.1.2天线远场特性的测量49-525.2接收机的测量52-53参考文献53-54第六章总结与展望54-56攻读学位期间取得的研究成果及参与科研的项目56-57致谢57-58个人简况及联系方式58-60

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第二篇：无线通信系统中宽带无源器件的研究与设计

无线通信系统中宽带无源器件的研究与设计

【摘要】：随着无线通信的快速发展,射频系统对微波无源器件提出了更高的要求,要求射频前端的无源器件能够实现小型化、宽通带。基片集成波导滤波器凭借其自身的优势,如重量轻,小型化和容易与其他器件集成,近几年受到学者广泛的研究。同样,圆极化天线也已经被广泛地运用在卫星通信和脉冲雷达等领域,迫切需求天线有更高的阻抗带宽和轴比带宽。本论文首先研究并提出了一款基于SIW的小型化宽带滤波器,然后提出了一款宽带圆极化天线。本论文的主要内容主要分为以下三个部分：首先,介绍了无线通信中基片集成波导滤波器和圆极化天线的研究现状,然后介绍了表征滤波器和天线性能的几个重要参数及其数值分析方法。其次,提出了一款基于折叠基片集成波导(SIFW,SubstrateIntegratedFoldWaveguide)的小型化宽带带通滤波器,并给出了仿真结果。为了改善通带低端的带外抑制特性,通过引入交叉耦合结构,产生了两个传输零点。此外,通过在顶层和底层金属微带上刻蚀互补谐振环(CSRR,ComplementarySplit-RingResonators),改善了通带高端的带外特性。仿真结果表明,滤波器的工作频率在7.1GHz,相对带宽约为47%,通带内回波损耗优于-15dB,插入损耗小于0.7dB。最后,提出了一款宽带圆极化缝隙天线,缝隙天线的圆极化辐射由微带馈线的临近耦合激励产生。为了获得较宽的轴比带宽,3dB轴比通带内有三个圆极化模式被激励。同时,采用渐变式馈电结构改善了输入端口的阻抗特性。结果表明,本文提出的天线圆极化带宽为

56%(3.17GHz-5.65GHz),阻抗带宽为64%(2.96GHz-5.75GHz),天线峰值增益为3.5dB。【关键词】：无线通信系统SIFW滤波器小型化宽带天线圆极化天线

【学位授予单位】：山西大学 【学位级别】：硕士 【学位授予年份】：2013 【分类号】：TN713;TN821.1 【目录】：中文摘要10-11ABSTRACT11-13第一章绪论13-231.1课题研究的背景及意义131.2无线通信系统中无源器件的研究现状13-151.2.1基片集成波导滤波器13-141.2.2圆极化天线14-151.3微带天线的宽带技术15-161.4本文的研究内容和主要贡献16-17参考文献17-23第二章滤波器及天线基础理论23-322.1引言232.2滤波器的技术指标23-242.3频率变换24-272.3.1低通到高通的频率变换252.3.2低通到带通的频率变换25-272.3.3低通到带阻的频率变换272.4天线的基本参数27-302.4.1天线的方向性系数与增益27-282.4.2天线的反射系数与回波损耗28-292.4.3天线的输入阻抗292.4.4天线的频带宽度292.4.5天线的辐射效率29-302.4.6天线的交叉极化302.5电磁仿真算法-有限元法及仿真软件HFSS30参考文献30-32第三章基于SIFW滤波器的研究与设计32-423.1引言323.2基片集成波导技术32-343.2.1基片集成波导结构32-333.2.2基片集成波导传输特性333.2.3基片集成波导-微带转换器的设计33-343.3耦合理论与输入输出设计34-363.3.1耦合系数34-353.3.2耦合拓扑结构设计353.3.3外

部品质因数值的计算35-363.4基于SIFW滤波器的设计36-403.4.1滤波器结构36-373.4.2互补型开口环谐振环设计37-383.4.3滤波器敏感性分析38-393.4.4仿真结果分析39-403.5本章小结40参考文献40-42第四章宽带圆极化天线的研究与设计42-524.1引言424.2圆极化技术42-454.2.1圆极化原理42-434.2.2圆极化实现技术43-454.3圆极化天线的设计45-494.3.1天线结构的设计45-464.3.2天线设计与性能分析46-474.3.3仿真结果分析47-494.4本章小结49-50参考文献50-52第五章器件制作工艺及测试系统52-575.1无源器件的制作过程525.2S参数测试系统52-545.3天线测试系统54-555.3.1测试设备及原理54-555.3.2辐射方向图的测量555.3.3天线轴比的测量55参考文献55-57第六章总结57-58攻读学位期间取得的研究成果及参与科研的项目58-59致谢59-60个人简况及联系方式60-62

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第三篇：超宽带天线的研究与设计

超宽带天线的研究与设计

李庆娅 李晰 唐鸿燊

摘 要： 本文设计了一款差分微带超宽带天线，通过改变馈线和尺寸和接地板上缝隙的半径,优化了天线的性能，所实现的天线带宽为11.5 GHz，且有较好的辐射特性。在此基础上，通过在两贴片上对称地开槽，得到了在5 GHz处有陷波特性的超宽带天线。关键词：超宽带天线；差分天线；带阻特性

Research and Design of Ultra-wideband Microstrip Antenna

Li Qing-Ya, Li Xi, Tang Hong-Shen Abstract: In this paper, a differential microstrip ultra-wideband antenna is designed.It is optimized by changing dimensions of feeding line and radius of slot in the ground.The simulated and measured results show that the frequency bands of antenna is 11.5 GHz.Also, it has good radiation characteristics.Based on this, by etching the slot in the patch symmetrically, the ultra-wideband antenna with band-notch characteristics at 5 GHz is achieved.Key words: Ultra-wideband antenna;differential antenna;band-notch characteristics 引言

近几年,随着超宽带(UWB)通信技术的快速发展，对应用于短距离无线通信系统中的天线提出了更高的要求，不仅要求天线尺寸小、剖面低、价格便宜，易于加工并可集成到无线电设备内部，同时，还要求天线阻抗带宽足够宽，以便覆盖整个UWB频段。美国联邦通信委员会(FCC)规定UWB信号的频段为3.1 GHz-10.6 GHz。这个通信频段中还存在划分给其他通信系统的频段，如5.15 GHz到5.35 GHz的IEEE802.11a和5.75 GHz到5.85 GHz的Hiper-LAN/2。

在接地板上开缝是实现超宽带天线的方法之一，常见的缝隙形状如倒锥形[1]、矩形、半圆形、梯形[2]等。文献[2]中仿真优化并制作了一个小型化超宽带微带天线，在整个工作频段2.15-13.47 GHz内，该天线的回波损耗均在-10 dB以下，增益基本稳定在3~6 dB之间，并具有比较稳定的辐射特性。在超宽带天线的基础上通过在辐射贴片上开槽实现带阻特性，槽的形状有L形[3]、矩形[4]、E形[5]等，文献[5]提出了一种新型的具有双阻带特性的超宽带天线，制作出实物并验证了天线的超宽带和陷波特性，即在中心频率3.75 GHz和5.5 GHz附近的频带范围内具有良好的陷波特性。

本文首先设计了超宽带天线，研究了天线的回波损耗S11和辐射特性与天线环形接地板尺寸的关系，改善了天线的带宽。在此基础上，通过改变贴片和微带线的尺寸。并利用折合形开槽技术在贴片上开槽，有效实现阻带。2 天线设计

本文设计天线结构如图1所示。图1(a)中天线的辐射贴片，位于介质基板的上表面，图1(b)是刻蚀了圆形缝隙的地，位于介质基板的下表面；天线采用介质为RogerS RT/duroid 6006，相对介电常数为6.15，厚为0.5mm的介质基板，尺寸为 29.6 mm×33.6 mm；馈电部分为50欧的微带线。

(a)正面结构

(b)反面结构

图1 天线平面结构示意图 仿真结果

天线的设计尺寸为p2l=5.3 mm、p2x=2.7 mm、p1l=5.4 mm、p1x=0.23 mm、cr=13.4 mm。采用三维电磁仿真软件HFSS对所设计天线进行仿真，结果表明cr、p2l和p1x对天线的带宽影响较大。图2-4给出了这些参数变化时，天线的反射系数。当研究天线的某一尺寸与天线特性的关系时，保持其他尺寸不变。

图2给出了不同cr值时天线S11的仿真结果，可以看出工作频率的最小值fmin随cr的增加而增加，由2.5 GHz增加到3 GHz；工作频率的最大值fmax随cr的增加而减小，由13 GHz减小到11.8 GHz。当cr=13.0 mm时，带宽最大，为2.5-13 GHz，实现超宽带10.5 GHz。

图3给出了不同p2l值时天线S11的仿真结果，可以看出改变p2l的值对7 GHz处的S11值有明显改善作用。当p2l=5.0 mm时，7 GHz处的S11值变化明显由原先的-11.334 dB下降到-37.6264 dB。

图4给出了不同p1x值时天线S11的仿真结果，可以看出改变p1x对7 GHz处的S11值有明显改善，且当p1x=0.20 mm时，7 GHz附近的S11在-10 dB以下，并且带宽最大，达到2.68~12.63 GHz。

0-5fmin0-5-10-10S11(dB)S11(dB)fmax-15-20-25-30-35-4012-15-20-25-302345 cr=13.0mm p2l=4.0mm p2l=5.0mm p2l=5.3mm p2l=6.0mm*** cr=13.4mm cr=13.8mm cr=14.0mm67891011121314Frequency(GHz)Frequency(GHz)

图2不同cr时天线的S1图3不同p2l时S11与频率的关系

0plx=0.20mm-5plx=0.24mmplx=0.28mm42Gain(dBi)S11(dB)-10plx=0.30mm0-2-4-***89Frequency(GHz)10111213-62468101214Frequency(GHz)

图4不同p1x时S11与频率的关系图

图5增益图

4测试结果

根据前面的研究结果实现的天线如图6所示，天线的尺寸为p2l=5.0 mm、p2x=2.7 mm、p1l=5.4 mm、p1x=0.20 mm、cr=13.4 mm，使用Agilent公司的网络分析仪N5221测量了天线的S参数，结果如图7所示。对比图2中cr=13.4 mm和图7可知，天线测量结果与仿真基本一致，尤其在在6 GHz-13 GHz处较为吻合。天线的方向图和增益如图8-10所示。图8给出了天线增益，在3-8GHz，增益都大于3dB，最大值为4.11dB，而在3-12GHz，增益较低，尤其在11GHz时，只有-6dB。图9-10给出了天线在5GHz处的方向图，可以看出，天线在H面为全向辐射，在E面方向图为8字形，在其他频段的方向图与5GHz处的基本相同。对于实测与仿真结果的差距，可以通过提高加工精度和改进测量技术来得到改善。

(a)正面结构

(b)反面结构

图6 天线实物图

50-5S11(dB)0-5Gain(dBi)-10-15-20-25-30-10-15-20-354812Frequency(GHz)16200246810121

4Frequency(GHz)

图7 实际天线回波损耗S1图8 增益图

00-20-40-60-80-60-40-200210***027090 033030 co-pol cross-pol 0-30-60-90-60-30024027033030 cross-pol co-pol300603006090 120210180150

图9 H面方向图

图10 E面方向图 5GHz处实现有阻带特性的超宽带天线

为了进一步增加5 GHz附近的S11，减小这个频段的辐射，实现有陷波特性的超宽带天线，在圆形贴片上加载多边形槽线，其结构如图11所示，槽线的总长度计算公式为

Lslotc/{2f[(r1)/2]1/2}

(1)其中c表示光速;f为槽线的谐振频率;εr为介质板的相对介电常数[5]。根据陷波频带的中心频率为5 GHz，由式(1)计算出槽线的长度为15.84 mm.图12给出了fl3对S11的影响，由图知，当fl3改变时，即槽线的总长度改变时，天线的陷波频段也随着变化，当fl3=1.5 mm时，5GHz处fl3最大并在-10 dB以上；此时的增益图如图13所示，可以看出，当f=5 GHz时，增益由原来的3.2dB降为-1.68451 dBi，在其他频段增益基本没变化。

图11 开槽的正面结构模型

0-5-10-15-20-25-300246 fl3=1mm fl3=0.5mm fl3=0.9mm fl3=1.5mm8101214642Gain(dBi)S11(dB)-2-4-6246810Frequency(GHz)1214

Frequency(GHz)0

图12不同fl3时S11与频率的关系图

图13 增益图 结论

本文所设计的差分超宽带天线，实现了2.5~13 GHz的工作带宽，辐射特性良好。天线尺寸为：p2l=5.0 mm、p2x=2.7 mm、p1l=5.4 mm、p1x=0.20 mm、cr=13.4 mm。利用折合形开槽技术在两贴片上分别对称开槽，在5GHz处实现了阻带特性。参考文献：

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