摘 要

现代科技技术中，无线通讯技术作为时代变革的重要技术，其发展的趋势越加迅猛，且对于各类智能移动通讯终端的数据传输带宽和速率的需求也越来越高，相信在不久的将来5G通信技术的应用将会走进平常人家的生活，改变人们的生活方式，使人们拥有更加便利的未来。就整个通信系统而言，天线是其中的最重要的也是必不可少的一部分，它与通信系统性能的优劣程度息息相关。因此在该背景下，为了符合无线通信的未来需求，在此次课题中将会对毫米波天线进行研究。

本文主要在Alford方形环天线的研究上，基于双“Z”型微带结构，进行高度小型化平面微带天线在28GHz频段上的再设计，以满足规定工作频段和通信环境下对天线方向图及其他性能参数的要求，再通过曲流以及模型缩尺比等技术进行结构上的优化设计，最终实现超宽带、小型化、高速率传输特性天线的设计要求并于未来通讯手机终端使用，这便是此课题研究的意义。

关键词： 无线通讯；微带天线；小型化；曲流缩尺

Abstract

Modern technology, wireless communication technology as an important technology of the times change, the development trend of the more rapid, and for all types of intelligent mobile communication terminal data transmission bandwidth and speed of the demand is also growing, I believe in the near future 5G communication technology applications will enter the lives of ordinary people, change people's way of life, so that people have a more convenient future. As far as the whole communication system is concerned, the antenna is one of the most important and essential parts, which is closely related to the merits of the performance of the communication system. Therefore, in this context, in order to meet the future needs of wireless communications, in this issue will be on the millimeter-wave antenna to study.

In this paper, based on the research of Alford square ring antenna, the design of highly miniaturized planar microstrip antenna in 28 GHz frequency band is based on the double "Z" type microstrip structure to meet the requirements of the working frequency band and the communication environment. And other performance parameters, and then through the meandering and model scale and other technologies to optimize the design, and ultimately achieve miniaturization, ultra-wideband and high-speed transmission characteristics of the antenna design requirements and use in the future communications mobile terminal, which is The significance of this research.

Key words: Wireless communication; microstrip antenna; miniaturization; meandering and scale technology

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究发展现状 2

1.3 工作规划及文章结构设置 3

第2章 天线原理简介 4

2.1 天线设计的主要性能参数 4

2.1.1 方向参数 4

2.1.2 效率与增益 5

2.1.3 极化 6

2.1.4 反射系数和驻波比 7

2.1.5 频带带宽 7

2.2 环形天线 8

2.2.1 环形天线简介 8

2.2.2 电大环天线 8

2.3 微带天线 9

2.3.1 微带天线简介 9

2.3.2 微带天线结构与原理 10

2.4 环形天线的设计方法 10

2.4.1 曲流技术 10

2.4.2 缩尺效应 11

2.5 天线仿真软件 12

2.6 本章小结 12

第3章 Alford天线概述 13

3.1 Alford环形天线 13

3.2 Alford天线的仿真对比 14

3.3 本章小结 19

第4章 未来5G通讯天线的再设计 20

4.1 双“Z”型天线的分析与再设计 20

4.2 优化后的Alford天线 20

4.3 优化后2.4GHz天线实物测量 23

4.3.1 实物模型 23

4.3.2 测量设备 24

4.3.3 测量结果 25

4.4 基于28 GHz频段的天线模型 26

4.5 本章小结 29

第5章 总结与展望 30

5.1 课题总结 30

5.2 展望 30

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

在科技发展日新月异的今天，移动通讯^[1]的功能从足不出户便能阅尽天下事的各类智能移动终端到仅凭一机在手便能随心所欲购买自己喜爱商品的网络电商软件，大量的云服务正让我们享受到无线通信技术那无处不在魅力，它不但让我们的生活更加快捷，还丰富着我们的日常生活，使人们之间的交流来往变得更为方便，联系更加紧密。然而，尽管移动通讯技术的发展进步较为迅猛，从一开始的提供语音服务，到接下来所采用的数字通信技术，紧接着的移动通信技术不断更新换代的快速发展与演进，网络频谱越来越宽，传输速率越来越快，频率使用效率也越来越高，并且还走向了多业务发展的道路。第四代（4G）移动通讯技术可以使我们享受到20Mbps以上的数据传输速率^[2]以及更好的服务质量。同样地，移动终端也从过去的仅仅具有通话功能到现在的多功能移动多媒体应用，科技带来的是人们更好的生活。但是，时代是在不断前进的旅程，移动通讯也是如此，移动娱乐、电子银行、电子医疗等网络业务发展使得移动无线通讯业务量爆发式发展。此外，物联网以及虚拟现实技术的概念兴起所诞生出无数个移动互联设施，导致了信息的需求量的急剧提升，并要求更加高效、低时延、超高带宽等特点的，更为令人安心的移动通讯网络^[3-4]。所以便有了对更加优秀的5G通讯技术的诞生，就其系统而言，5G移动通讯具有超低时延的特点，以提供灵敏迅速的数据处理方式以及较高的可靠性，如未来汽车自动驾驶的兴起以及个人飞行器市场的放开，都需要设备具有更快的收发信息能力、更快的处理速度以保障人机的安全，因此5G移动通信网络需要有更加可靠的安全性，而超宽带宽不仅能提供更快的传输速率能力、更高的系统容量以及更低的系统功耗，还能够给予越加安全的通讯模式；而向下兼容性是5G移动通信的另外一个特点，5G移动通信终端能够使用之前的移动通信的技术，避免了重复投资的浪费，并能保证良好的覆盖性，此外5G网络的无线传输速率将达到千兆每秒^[5]，其网络支持万事万物之间的互联，使得人们的联系变得更加宽泛，相信在未来人们的生活中将会充斥着5G的痕迹，这是不可逆转的情势。

在移动通讯的发展规律中，频谱问题、系统容量与带宽限制等问题在天线网络设计中无疑是不可忽略的问题，虽然有一些措施可以改善这一问题，但这并不是长久之道。因此在设计时要注意频谱的使用问题是必须要考虑的，而5G所采用的频段是高频段的毫米波段，在此波段传输有很多的优点，而且没有太多干扰，传播的路径也较为可靠^[6-7]。而且通过无数理论和研究表明，毫米波段的电磁波用于通讯是完全行得通的^[8-9]，虽然其也有一些阻碍：由于5G移动通信高速传输实现于超高频率（毫米波），而毫米波段的电磁波在媒介中会产生传输损耗，在毫米波频率范围的大气吸收率如图1所示，而且这些损耗在频段不同时其情况也不同。而且毫米波段的电磁波容易受到雨水、雾霾等环境因素的影响，容易产生衰减从而传播特性变差，并且毫米波覆盖范围小，因此需要进行多天线大规模组网来实现热点覆盖，并且提高频谱的利用和传输的稳定。