双极化全向天线研究

学校代码10701分类号TN82学号17021210750 密级公开
西安电子科技大学
硕士学位论文
双极化全向天线研究
作者姓名：冯安迪
一级学科：电子科学与技术
二级学科：电磁场与微波技术
学位类别：工学硕士
指导教师姓名、职称：郭景丽副教授
学院：电子工程学院
提交日期：2020年5月
Research on Dual-Polarized Omnidirectional
Antenna
A thesis submitted to
XIDIAN UNIVERSITY
in partial fulfillment of the requirements
for the degree of Master
in Electromagnetic Field and Microwave Technology
By
Feng Andi
Supervisor: Guo Jingli Title: Associate Professor
May 2020
摘要
摘要
全向天线具有水平面360°全覆盖的优点，在无线局域网等领域中被广泛应用。

双极化天线有提升信道容量、提高频谱利用率和对抗多径衰落等优点。

论文对水平/垂直极化全向天线和双极化全向天线做了系统的研究，在传统缝隙天线的基础上进行小型化和多频设计，设计了三种全向天线。

首先，设计了两款基于三维辐射缝隙的双频水平极化全向天线。

采用三维辐射缝隙的设计，降低垂直缝隙的高度，实现天线的小型化。

采用阶梯型折叠贴片为三维缝隙馈电，实现双频谐振。

分别通过将馈电结构偏离垂直方向的中心和增加寄生贴片的方式扩展了天线的工作带宽。

改进后的寄生馈电天线与偏馈天线相比，高频交叉极化大大降低。

两天线的尺寸均为302510mm mm mm ⨯⨯，测试结果表明两天线-10dB 阻抗带宽分别为2.38-2.55GHz 、4.7-6.1GHz 和2.38-2.51GHz 、4.8-5.9GHz ，水平面不圆度小于6dB 。

其次，设计了两款基于水平折叠缝隙的双频垂直极化全向天线。

第一款封闭式天线由带有水平折叠缝隙的长方体金属腔和为该水平缝隙馈电的多枝节馈线组成。

在此基础上，为方便加工，保留水平折叠缝隙所在的长方体的三个面，并简化了馈电枝节，形成开放式双频垂直极化天线。

两天线尺寸均为302510mm mm mm ⨯⨯，测试结果表明两天线-10dB 阻抗带宽分别为2.39-2.5GHz 、5-5.85GHz 和2.4-2.5GHz 、4.8-6.3GHz ，水平面不圆度小于6dB 。

最后，在以上基础上设计了两款双频双极化全向天线，为改进后的开放式双频垂直极化全向天线分别与两款双频水平极化全向天线组合而成。

两款双频双极化全向天线体积均为305010mm mm mm ⨯⨯，工作于WIFI 双频段，工作频段内隔离度和水平面全向性表现良好。

关 键 词：三维缝隙， 水平折叠缝隙， 全向天线， 双极化
ABSTRACT
ABSTRACT
Omnidirectional antenna has been widely used in wireless local area networks and other fields due to its feature of 360° full coverage on the horizontal plane. Dual-polarized antenna has the advantages of increasing the channel capacity, improving the spectrum utilization and resisting the multipath fading . In this thesis, horizontally/vertically polarized omnidirectional antenna and dual-polarized omnidirectional antenna are studied systematically. Based on the traditional slot antenna, three types of omnidirectional antennas are proposed to achieve miniaturization and multiband .
Firstly, two kinds of dual-band horizontally polarized omnidirectional antennas based on three-dimensional radiation slot are proposed. In order to realize the miniaturization of the antenna, three-dimensional radiation slot is adopted to reduce the height of vertical slot.
A folded stepped patch is employed to feed the three-dimensional slot to realize dual-band resonance. The working bandwidth of the antenna is extended by offsetting the feeding structure from the center of vertical direction and adding parasitic patches, respectively. Compared with the offset feeding antenna, the parasitic feeding antenna has much lower cross polarization level in the high frequency band. The dimensions of both antennas are 302510mm mm mm ⨯⨯. Experimental results show that the -10 d
B impedance bandwidths of the two antennas are 2.38-2.55GHz, 4.7-6.1GHz and 2.38-2.51GHz, 4.8-5.9GHz, respectively, and the gain variation on the horizontal plane is less than 6 dB.
Secondly, two kinds of dual-band vertically polarized omnidirectional antennas based on horizontal folded slot are proposed. The first antenna consists of a rectangular metal cavity with a horizontal folded slot and a multi-node feedline. On this basis, for the purpose of easy fabricated , three sides of the rectangular where the horizontal folded slot is located are reserved, and the feeding branch is simplified to form an open cavity dual-band vertical polarized antenna. The dimensions of both antennas are 302510mm mm mm ⨯⨯ . Experimental results show that the -10 dB impedance bandwidths of the two antennas are
2.39-2.5GHz, 5-5.85GHz, and 2.4-2.5GHz, 4.8-6.3GHz, respectively, and the gain variation on the horizontal plane is less than 6 dB.
Finally, two kinds of dual-band dual-polarized omnidirectional antennas are proposed based on the antennas mentioned above. They are composed of the open cavity dual-band vertically polarized omnidirectional antenna and two kinds of dual-band horizontally polarized omnidirectional antennas. The two dual-band dual-polarized omnidirectional
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antennas can cover the WIFI dual-band with the volume of 305010mm mm mm ⨯⨯ . High isolation and good omnidirectionality are observed in the operating bands.
Keywords : Three-dimensional slot, Horizontal folded slot, Omnidirectional antenna, Dual-
polarized
插图索引
插图索引
图1.1 文献[8]天线结构图 (3)
图1.2 文献[11]宽带双极化全向天线 (4)
图1.3 文献[14]多频段双极化全向天线 (4)
图1.4 Alford环天线 (5)
图1.5 文献[21]双频水平极化全向天线 (6)
图1.6 文献[23]宽带水平极化全向天线 (7)
图1.7 文献[25]组合环天线 (7)
图1.8 文献[32]缝隙双频水平极化全向天线 (8)
图1.9 文献[35]小型化CBCSLA结构图 (9)
图1.10 文献[39]平面双U型单极天线 (9)
图1.11 文献[40]双极化全向天线 (10)
图2.1 巴比涅原理图解说明 (15)
图2.3 半波缝隙及其互补天线 (17)
图2.4 多模形式的多频天线 (21)
图2.5 多枝节形式的多频天线 (21)
图2.6 无源加载实现宽带化的天线 (22)
图2.7 添加寄生单元实现宽带化的天线 (23)
图3.1 开缝导体片到开缝圆柱面的进化 (26)
图3.2 可视为环加载传输线的开缝圆柱导体面 (26)
图3.3 三维辐射缝隙的设计流程 (27)
图3.4 天线A和天线B的仿真S参数 (27)
图3.5 谐振点处的电流分布 (28)
图3.6 天线A和天线B在水平面的仿真二维方向图 (28)
图3.7 天线C的电流分布及三维方向图 (29)
图3.8 天线B、C、D的仿真S参数 (30)
图3.9 天线D电流分布 (30)
图3.10 天线D在水平面的仿真二维方向图 (30)
图3.11 偏置馈电的双频水平极化全向天线结构图 (31)
图3.12 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线结构图 (32)
图3.13 偏馈双频水平极化全向天线仿真S参数 (33)
图3.14 偏馈双频水平极化全向天线仿真二维方向图 (34)
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图3.15 偏馈双频水平极化全向天线仿真三维方向图 (35)
图3.16 偏馈双频水平极化全向天线增益仿真结果 (35)
图3.17 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线仿真S参数 (36)
图3.18 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线仿真二维方向图 (37)
图3.19 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线仿真三维方向图 (37)
图3.20 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线增益仿真结果 (38)
图3.21 偏馈天线电流分布 (38)
图3.22 梯形缝隙的长度
l对S参数的影响 (39)
2
图3.23 馈电贴片宽度
h对S参数的影响 (39)
3
图3.25 不同馈电位置高度对应5.5GHz水平面方向图 (40)
图3.26 寄生贴片馈电天线电流分布 (40)
图3.27 梯形缝隙的长度
l对于天线阻抗匹配的影响 (41)
2
图3.28 馈电片宽度
h对于天线阻抗匹配的影响 (42)
3
图3.29 馈电片长度
l对于天线阻抗匹配的影响 (42)
5
图3.30 馈电片间的距离
h对于天线阻抗匹配的影响 (42)
4
图3.31 仿真阻抗曲线图 (43)
图3.32 水平极化全向天线实物 (44)
图3.33 偏馈双频水平极化全向天线S参数仿真与测试结果 (44)
图3.34 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线S参数仿真与测试结果 (44)
图3.35 偏馈双频水平极化全向天线方向图仿真与测试结果 (45)
图3.36 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线方向图仿真与测试结果 (46)
图3.37 偏馈双频水平极化全向天线峰值增益仿真与测试结果 (46)
图3.38 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线峰值增益仿真与测试结果 (47)
图4.1 水平放置的弯折偶极子 (50)
图4.2 封闭式双频垂直极化全向天线结构图 (50)
图4.3 开放式双频垂直极化全向天线结构图 (51)
图4.4 封闭式双频垂直极化全向天线仿真S参数 (52)
图4.5 封闭式双频垂直极化全向天线仿真三维方向图 (53)
图4.6 封闭式双频垂直极化全向天线仿真二维方向图 (54)
图4.7 封闭式双频垂直极化全向天线增益仿真结果 (54)
图4.8 开放式双频垂直极化全向天线仿真S参数 (55)
图4.9 开放式双频垂直极化全向天线仿真三维方向图 (55)
图4.10 开放式双频垂直极化全向天线仿真二维方向图 (56)
图4.11 开放式双频垂直极化全向天线增益仿真结果 (56)
插图索引
图4.12 封闭式天线电流分布 (57)
图4.13 封闭式天线双频实现原理 (57)
图4.14 封闭式天线在水平折叠缝隙上的磁场分布 (58)
图4.15 水平缝隙长度
l对S参数的影响 (59)
2
图4.16 背腔长度
l对S参数的影响 (59)
1
图4.17 馈电枝节长度对S参数的影响 (60)
图4.18 长方体金属腔右侧面电流幅值分布 (61)
图4.19 开放式天线电流分布 (61)
图4.20 开放式天线在水平折叠缝隙上的磁场分布 (62)
图4.21 影响天线阻抗匹配的关键参数仿真 (63)
图4.22 垂直极化全向天线实物 (64)
图4.23 封闭式双频垂直极化全向天线S参数仿真与测试结果 (65)
图4.24 开放式双频垂直极化全向天线S参数仿真与测试结果 (65)
图4.25 封闭式双频垂直极化全向天线方向图仿真与测试结果 (66)
图4.26 开放式双频垂直极化全向天线方向图仿真与测试结果 (67)
图4.27 封闭式双频垂直极化全向天线峰值增益仿真与测试结果 (67)
图4.28 开放式双频垂直极化全向天线峰值增益仿真与测试结果 (67)
图5.1 本文设计的水平/垂直极化天线结构 (70)
图5.2 偏馈双频双极化全向天线结构图 (71)
图5.3 寄生贴片馈电的双频双极化全向天线结构图 (72)
图5.4 偏馈双频双极化全向天线仿真S参数 (73)
图5.5 激励水平极化端口时的仿真二维方向图 (74)
图5.6 激励垂直极化端口时的仿真二维方向图 (74)
图5.7 偏馈双极化天线组合前后水平/垂直极化单元增益变化 (75)
图5.8 寄生贴片馈电双频双极化全向天线仿真S参数 (75)
图5.9 激励水平极化端口时的仿真二维方向图 (76)
图5.10 激励垂直极化端口时的仿真二维方向图 (76)
图5.11 寄生贴片馈电的双极化天线组合前后水平/垂直极化单元增益变化 (77)
图5.12 激励水平极化端口时的电流分布 (78)
图5.13 激励垂直极化端口时的电流分布 (78)
图5.14 双极化全向天线实物 (79)
图5.15 测试环境 (79)
图5.16 偏馈双极化天线S参数仿真与测试结果 (80)
图5.17 寄生馈电双极化天线S参数仿真与测试结果 (80)
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图5.18 偏馈双极化天线方向图仿真与测试结果（激励水平极化端口） (81)
图5.19 偏馈双极化天线方向图仿真与测试结果（激励垂直极化端口） (81)
图5.20 寄生馈电双极化天线方向图仿真与测试结果（激励水平极化端口） (82)
图5.21 寄生馈电双极化天线方向图仿真与测试结果（激励垂直极化端口） (82)
图5.22 偏馈双极化天线峰值增益仿真与测试结果 (83)
图5.23 寄生馈电双极化天线峰值增益仿真与测试结果 (83)
表格索引
表3.1 偏置馈电的双频水平极化全向天线具体参数 (32)
表3.2 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线具体参数 (33)
表3.3 水平极化全向天线文献对比 (47)
表4.1 封闭式双频垂直极化全向天线具体参数 (51)
表4.2 开放式双频垂直极化全向天线具体参数 (52)
表4.3 垂直极化全向天线文献对比 (68)
表5.1双极化全向天线文献对比 (84)
符号对照表
符号符号名称
ε介电常数
μ磁导率
λ空间波长
f频率
Γ反射系数
RL回波损耗
U辐射强度M
P辐射功率
A
G增益
D方向性系数
η效率
BW工作带宽
E电场
H磁场
ρ体电荷密度i电流
J体电流密度V理想馈源
k波数
a球体最小半径c光速
Q品质因数VSWR驻波比
A口径有效面积e
缩略语对照表
缩略语英文全称中文对照WLAN Wireless Local Area Networks 无线局域网WIFI Wireless Fidelity 基于IEEE 802.11b标准的无线局域网ODPA Omnidirectional Dual Polarized Antenna 双极化全向天线HP Horizontally Polarized 水平极化VP Vertically Polarized 垂直极化MIMO Multiple Input Multiple Output 多输入多输出PCB Printed Circuit Board 印制电路板CBCSLA Cavity-Backed Composite Slot Loop Antenna 背腔组合缝隙环天线WiMAX World Interoperability for Microwave Access 全球微波接入互操作性EBG Electromagnetic Band Gap 电磁带隙结构CPE Customer Premise Equipment 客户前置设备
目录
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (III)
插图索引 (V)
表格索引 ............................................................................................................................. I X 符号对照表 ......................................................................................................................... X I 缩略语对照表 (XIII)
目录 (XV)
第一章绪论 (1)
1.1 选题背景 (1)
1.2 研究现状 (2)
1.2.1 双极化全向天线研究现状 (2)
1.2.2 水平极化全向天线研究现状 (5)
1.2.3 垂直极化全向天线研究现状 (8)
1.3 本文主要工作及内容安排 (10)
第二章相关理论 (13)
2.1 引言 (13)
2.2 天线基本参数 (13)
2.3 缝隙天线的相关理论 (14)
2.3.1 对偶原理 (14)
2.3.2 巴比涅原理 (15)
2.3.3 半波缝隙天线 (17)
2.4 天线设计常用技术 (18)
2.4.1 小型化技术 (18)
2.4.2 多频化技术 (20)
2.4.3 宽带化技术 (22)
2.5 本章小结 (23)
第三章基于三维缝隙的双频水平极化全向天线设计 (25)
3.1 引言 (25)
3.2 天线设计 (25)
3.2.1 小型化三维辐射缝隙及双频谐振 (25)
3.2.2 偏置馈电的双频水平极化全向天线 (31)
西安电子科技大学硕士学位论文
3.2.3 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线 (32)
3.3 仿真结果 (33)
3.3.1 偏馈双频水平极化全向天线 (33)
3.3.2 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线 (35)
3.4 天线工作原理及参数分析 (38)
3.4.1 偏馈双频水平极化全向天线原理分析 (38)
3.4.2 寄生贴片馈电的双频水平极化全向天线原理分析 (40)
3.5 天线加工及测试 (43)
3.6 本章小结 (47)
第四章基于水平折叠缝隙的双频垂直极化全向天线设计 (49)
4.1 引言 (49)
4.2 天线设计 (49)
4.2.1 封闭式双频垂直极化全向天线 (50)
4.2.2 开放式双频垂直极化全向天线 (51)
4.3 仿真结果 (52)
4.3.1 封闭式双频垂直极化全向天线 (52)
4.3.2 开放式双频垂直极化全向天线 (54)
4.4 天线工作原理及参数分析 (57)
4.4.1 封闭式双频垂直极化全向天线原理分析 (57)
4.4.2 开放式双频垂直极化全向天线原理分析 (61)
4.5 天线加工及测试 (64)
4.6 本章小结 (68)
第五章双频双极化全向天线设计 (69)
5.1 引言 (69)
5.2 天线设计 (69)
5.2.1 偏馈双频双极化全向天线 (70)
5.2.2 寄生贴片馈电双频双极化全向天线 (71)
5.3 仿真结果 (72)
5.3.1 偏馈双频双极化全向天线 (73)
5.3.2 寄生贴片馈电双频双极化全向天线 (75)
5.4 原理分析 (78)
5.5 天线加工及测试 (78)
5.6 本章小结 (84)
第六章总结与展望 (85)
目录
参考文献 (87)
致谢 (93)
作者简介 (95)
第一章绪论
第一章绪论
1.1 选题背景
天线是一种用于发射和接收电磁波的无线电设备，它在通信系统中发挥着举足轻重的作用，可以说如果没有天线，也就不会有无线电通信的发展。

最早被大众所熟知的实用天线是由马可尼在1901年为实现远洋通信设计的一款发射天线，具体的结构为，50根铜导线被设计成从48m高的横挂线斜拉下来，它被认为是第一副实用的单极天线。

此后从简单的线状天线，到如今应用于各种复杂场景，天线的发展历程基本上能够被划分为五个阶段。

线天线阶段为第一阶段，当时天线的工作频率还限于长波频段。

第二阶段为面天线阶段，这一阶段涌现出透镜天线、喇叭天线等多种多样的天线形式，这些天线具有窄波束和高增益特性。

随着射电天文的发展，在第三阶段建设了很多大型抛物面天线。

第四阶段是洲际导弹和人造卫星蓬勃发展的时期，对天线的要求更为严格，这一阶段天线技术神速发展。

加上电子计算机和微电子技术等的支持，天线理论也有了新的突破。

第五阶段为上世纪70年代至今，无线通信技术的不断进步带来了巨大的影响，通信频段开始涉及毫米波、亚毫米波甚至光波频段。

为了顺应这些发展，许多毫米波天线及阵列天线在这一阶段被广泛提出。

如今天线的发展已经较为成熟，天线朝着多频段、多制式、小型化等方向发展。

不同的应用环境，需要不同性能的天线。

这些年来，在局域网领域中发展最蓬勃的非无线局域网（WLAN，Wireless Local Area Networks）莫属。

在WLAN被发明之前，人们通过使用物理线缆构建一个通路来实现网络互连和通信。

但是有线网络的局限性很强，不管是组建、安装还是重建都很困难，成本非常高，而且由于线缆的限制，人们只能在规定的区域上网，这对办公或者娱乐都非常的不方便。

因此利用无线技术传输数据的WLAN便应运而生。

它能够弥补传统布线网络的不足，方便人们联网，使随时随地的获取信息成为现实，将大家从电脑桌前解放出来，来达到网络延伸的目的。

而且还可以迅速接纳新成员，方便布置且不需要布线打孔。

传输速率从最初的2Mbps到今天的600Mbps，WLAN发展到现在，有许多对应的接入规范[1-4]。

从1997年6月到现在，从第一个WLAN标准开始，已经形成了IEEE802.11a/g/b/n/ac等众多标准。

目前最常用的WLAN接入标准为IEEE802.11n（第四代）和802.11ac（第五代），它们既可以工作在2.4GHz频段，又可以工作在5GHz频段，传输速率理论值为600Mbps。

WIFI是一种无线联网技术，可以简单理解为无线上网，全称为Wireless Fidelity，它是以IEEE802.11系列标准为基础发展而来的。

WIFI技术在生活中最容易见到的应
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用就是无线路由器。

只要在路由器的信号范围里，就能采用WIFI方式上网。

WIFI技术可以使无线终端设备例如电脑、手机等，以无线的方式相互联结。

WIFI技术适用于短距离传输，同蓝牙技术一样，它们的范围可以覆盖办公室或者家庭等较小的空间。

根据天线在远场辐射的方向图的形状的不同，天线被分为两类：定向天线与全向天线。

定向天线的方向图无论在哪个平面都不是360°覆盖，它只朝某个特定方向辐
）射，一般来说覆盖角度越小，辐射距离就越远。

全向天线，顾名思义是指水平面（=90
的远场方向图近似为圆形的天线。

一般来说全向天线在全向平面上均匀辐射，不同角度的增益值大小相同。

增益越大的全向天线，在水平方向上覆盖的范围也就越大。

当全向天线作为发射天线时，它所辐射的信号可以被水平面内任何一个方向的有着相同极化方式的接收天线所接收；当作为接收天线时，它能够接收来自水平面内任意方向的极化方式相同的信号。

根据极化方式的不同，可以将全向天线分为水平极化全向天线、垂直极化全向天线、双极化全向天线和圆极化全向天线等。

由于全向天线能够覆盖全部水平方向且电磁波会被各种建筑和树木所阻挡，因此通常将全向天线安装在开阔区域的中央位置或者高大建筑物的楼顶上，以便于信号的覆盖，与其他通信装置构成点对多点的通信系统。

由于全向天线在方位平面上具有360°全覆盖的优点。

在无线局域网（WLAN）[5]、基站[6]和便携式设备[7]等众多无线通信系统中，都需要全向辐射特性。

综上所述，在移动通信系统中，双频/多频段双极化全向天线有着广泛的应用前景和重要的研究意义。

1.2 研究现状
1.2.1 双极化全向天线研究现状
双极化天线能够收发两种极化形式的电磁波，通常为水平极化和垂直极化，因此能够提升信道容量。

为了设计具有全向辐射方向图的双极化天线，人们进行了大量的研究。

在全向双极化天线（ODPA）设计中，选择合适的垂直极化（VP）和水平极化（HP）的辐射单元是非常重要的。

常见的双极化全向天线是将两个分别具有水平极化全向特性和垂直极化全向特性的天线组合到一起而实现的。

使用怎样的组合方式不会使单个天线的工作性能恶化，并且使整体的体积尽量紧凑，是双极化天线设计的难点。

文献[8-10]通过将垂直缝隙与水平缝隙相结合从而辐射双极化全向方向图。

文献[8]中通过把垂直/水平缝隙蚀刻到长方体柱的四个面上，在一个紧凑的结构内实现双极化全向辐射，并且获得了较高的端口隔离度，但是工作频段很窄。

文献[9]中将工作频段一致的双频水平极化全向天线和双频垂直极化全向天线背对背放在一起，由于两
第一章 绪论
天线的缝隙正交，因此两端口的隔离比较好。

文献[8]提出了一种应用于WLAN 的紧凑型高隔离度双极化全向MIMO 天线，结构如图1.1所示，金属柱状长方体由中央的FR4基板（ 4.4,tan 0.01r εδ==）支撑，垂直缝隙位于侧面的中心，使用一条50Ω开路微带线进行电容耦合馈电；折叠水平缝隙位于长方体的中间，由一条50Ω开路微带线馈电。

对该天线1端口馈电，此时天线能够辐射垂直极化波；当对2端口馈电，天线则辐射水平极化波。

两个缝隙的工作原理不同：对于垂直极化，水平缝隙分布在长方体四个侧壁上，以提供垂直极化的全向方向图。

水平缝隙的长度约为谐振波长的一半，即工作在半波长模式。

该模式的阻抗通过调整馈电微带线的长度来匹配。

对于水平极化，从正面辐射的电场可以沿着细长柱状长方体的侧壁向背面蔓延。

折叠的侧壁可以看作是垂直缝隙的开放式背腔。

尽管垂直缝隙的长度几乎是2.4GHz 的一个波长，但由于背腔和电容耦合的作用，垂直缝隙的电流在所需频带中仍是半波长模式。

测量结果表明双极化的-10dB 回波损耗所覆盖的带宽为 2.4-2.48GHz ，端口隔离度大于33.5dB 。

天线尺寸为3831111mm ⨯⨯（0.6640.0880.088L L L λλλ⨯⨯，L λ表示工作频段最低频率对应的波长）。

图1.1 文献[8]天线结构图
文献[11]中，通过正交放置的偶极子，实现了一种宽频带的双极化全向天线。

如图1.2所示，四对偶极子均匀地印在FR4介质圆柱周围，用于全向辐射，其中一对偶极子包括一个垂直极化偶极子和一个水平极化偶极子。

这是第一个组合偶极子阵列的双极化天线。

此外，利用间距为5mm 、旋转角度为45°的两个宽带馈电网络分别激励垂直偶极子和水平偶极子，实现了30%的相对带宽和两个极化端口间较好的隔离。

在水平面上，垂直极化方向图的不圆度小于0.5dB ，水平极化方向图的不圆度则小于
1.5dB 。

垂直极化辐射单元为半波偶极子，这就导致该天线的高度较高，约为0.57个波长。

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(a)(b)(c)
(a)天线结构(b)垂直和水平偶极子(c)馈电网络
图1.2 文献[11]宽带双极化全向天线
偶极子天线是设计单极化天线的常用天线。

双锥天线和盘锥天线是广泛应用于垂直全向的两种天线形式，通过与偶极子天线相结合，实现了多频带和宽频带的双极化全向天线[12-16]。

文献[14]提出了一种用于室内无线通信系统的新型多频段双极化全向分布式天线，如图1.3所示，该天线的双极化是通过将垂直极化单元和水平极化单元堆叠在一起所实现的。

垂直极化元件由三个辐射贴片组成，这些辐射贴片具有盘状的外形，可显著降低天线的制造成本。

水平极化的实现则是由分别固定在垂直极化元件顶部和底部的两个圆形元件来完成的。

这两个偶极子阵列元件通过双工器组合。

为了实现紧凑的结构，水平极化元件与圆形贴片一起用作垂直极化元件的接地平面。

水平极化元件1由三路功率分配器和三个同心排列的带有寄生条带的偶极子组成。

为了在水平面上提供全向辐射图，三路功率分配器以相同幅度和相位的信号激励偶极子。

印刷在基板边缘的三个寄生条带用以补偿天线的电抗，从而提高带宽。

(a)(b)
(a)水平极化部分(b)垂直极化部分
图1.3 文献[14]多频段双极化全向天线
第一章绪论
结果表明，水平极化-10dB阻抗带宽覆盖频段范围为0.69–1.03GHz和 1.69–3.21GHz，垂直极化-10dB阻抗带宽能够覆盖的频段范围为0.77-0.98GHz和1.70–3.75GHz。

该天线在整个工作频带内获得了良好的端口隔离、较低的交叉极化电平以及在方位角平面上水平极化和垂直极化的全向辐射方向图，这表明该天线可广泛用于室内MIMO通信系统。

1.2.2 水平极化全向天线研究现状
为了增加系统容量，水平极化全向天线是必不可少的补充[17]。

根据磁偶极子理论，设计水平极化全向天线的一般方法是构造一个电流分布均匀的小环形天线。

众所周知，由于小环天线具有较小的辐射电阻和很高的电抗，因此想要使其匹配难度很大[18]。

大直径环形天线具有合理的阻抗性能。

然而，要保证大环上电流分布的均匀性，使水平面上的增益变化很小是困难的。

此外，环形天线的大直径会使其主辐射方向偏离水平面。

环天线的全向特性依靠在水平面上形成幅度相等且相位相同的环形电流得到，主要包括Alford环天线[19-23]和组合环天线[24-31]。

线结构的Alford环天线在文献[19]中被首次提出，它能够实现全向水平极化，如图1.4(a)所示。

Alford环天线在端点(K,K’)处馈电，由于其结构对称，导体1、2、3、4上的电流分布具有相同的大小和180°相位差。

此外，由于BB’、DD’和AC的导体非常接近，电流流向相反，电流产生的辐射会相互抵消。

因此，在Alford环天线导体1、2、3和4上的电流形成一个方环型电流分布，可以实现水平极化的全向方向图。

(a) 文献[19]线结构Alford环(b) 文献[20]印刷Alford环
图1.4 Alford环天线
文献[20]在基本的Alford环形结构基础上提出了一种馈电更加方便的印刷Alford 环天线，如图1.4(b)所示，天线由印刷电路板（PCB）的上、下平面印刷的两条“Z”形条带组成，并对其在中心位置进行馈电。

由于该结构具有对称性，在两条带上的电流。