（电磁场与微波技术专业论文）宽带微带天线和降低微带天线互耦的研究.pdf

m a s t e r th e s 臼 r e s e a r c h o n 血 b a n d w id t h e n h a n c e m e n t a n d mu t u a l c o u p li n g r e d u c t i o n o f m i c r o s t r ip a n te n n a s ab s t r a c t t h i s t h e s i s i s p r i m a r i l y f o c u s e d o n t h e d e s i g n o f b r o a d b a n d m i c r o s t r i p a n t e n n a a n d t h e t e c h n i q u e o f m u t u a l c o u p l i n g r e d u c t i o n b e t w e e n m i c r o s t r i p a n t e n n a e l e m e n t s a n d a r r a y s . a n o v e l b r o a d b a n d a n t e n n a i s d e s i g n e d , a n e w t e c h n i q u e t o r e d u c e t h e m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n t w o a n t e n n a e l e m e n t s i s p e s e n t e d a n d a t i m e - s a v i n g m e t h o d t o c a l c u l a t e t h e m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n l a r g e a r r a y s i s p r o p o s e d t h i s t h e s i s f i r s t l y d e s c r i b e s t h e d e s i g n o f a n o v e l f o r k - l i k e s t r i p l i n e - f e d a p e r t u r e c o u p l e d a n t e n n a e l e m e n t . t h i s a n t e n n a i s f u l l y p l a n a r , a n d t h e f o r k - l i k e f e e d l i n e i s u t i l i z e d t o i m p r o v e t h e i m p e d a n c e b a n d w i d t h . t h e n o n r e s o n a n t a p e r t u r e i s u s e d t o r e d u c e t h e b a c k l o b e r a d i a t i o n . t h e me a s u r e d res u l t s s h o w t h a t t h i s a n t e n n a e l e me n t c a n a c h i e v e a b r o a d b a n d wi d t h w i t h a l o w b a c k l o b e l e v e l a n d a l o w c r o s s p o l a r i z a t i o n l e v e l . a n o v e l p a r a s i t i c s t r u c t u r e i s i n s e r t e d b e t w e e n t w o m i c r o s t r i p a n t e n n a e l e m e n t s t o r e d u c e t h e m u t u a l c o u p l i n g b y c a n c e l i n g t h e s p a c e w a v e . t h e m e a s u r e d r e s u l t s s h o w t h a t a 1 3 d b m u t u a l c o u p l i n g r e d u c t i o n i s o b t a i n e d a c r o s s a b r o a d b a n d w i d t h , w h i l e t h e a n t e n n a r a d i a t i o n p a tt e rn s i n b o t h e - p l a n e a n d h - p l a n e r e m a i n u n a ff e c t e d . t h e n e t w o r k m e t h o d i s u s e d t o r e d u c e t h e c a l c u l a t i o n t i me o f m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n t w o l a r g e m i c r o s t r i p a n t e n n a a r r a y s . i n t h e n e t w o r k m e t h o d , th e a r r a y s a r e d i v i d e d i n t o t w o p a r t s : t h e r a d i a t i n g e l e m e n t s a n d t h e f e e d i n g n e t w o r k s . t h e e l e m e n t s p a c i n g o f t h e a r r a y s a l o n g t h e c o u p l i n g d i r e c t i o n i s a d j u s t e d t o r e d u c e t h e m u t u a l c o u p l i n g . t h e s p a c i n g b e t w e e n t h e c e n t e r s o f t w o a r r a y s i s fi x e d . b y u s i n g t h e n e t w o r k m e t h o d , t h e t o t a l c a l c u l a t i n g t i m e i s g r e a t l y re d u c e d . t h e m u t u a l c o u p l i n g l e v e l b e t w e e n t h e a d j u s t e d a r r a y s i s l o d b l o w e r t h a n t h a t o f t h e o r i g i n a l a r r a y s . t h e a d j u s t e d a r r a y d o e s n t s h o w s i g n i f i c a n t d e g r a d a t i o n o f a n t e n n a g a i n a n d r a d i a t i o n p a tt e rn s c o m p a r e d w i t h t h e o r i g i n a l a rr a y . t h e s i m u l a t e d a n d m e a s u r e d r e s u l t s a g r e e w e l l w i t h e a c h o t h e r . k e y w o r d s : mi c r o s t i p a n t e n n a a rr a y , b a n d w i d t h , s t r i p l i n e - f e d , m u t u a l c o u p l i n g , n e t w o r k me t h o d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同 工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中 作了明 确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以 借阅 或上网公布本学 位论文的部分或全部内 容， 可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的 部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 人a s t e r t h e s 臼 r e s e a rch o n t h e b a n d w id t h e n h a n c e m e n t a n d mu t u a l c o u p l in g r e d u c t i o n o f mi c r o s tr ip a n t e n n a s 1 i n t r o d u c t i o n 1 . 1 ov e r v i e w t h e mic r o s t r i p a n t e n n a c o n c e p t w a s f ir s t i n t r o d u c e d b y d e s c h a m p s 1 mo r e t h a n 5 0 y e a r s a g o . s i n c e t h e n , mi c r o s t r i p a n t e n n a s h a v e b e c o m e p o p u l a r f o r a w i d e v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n a r e a s . t h i s i s b e c a u s e o f t h e i r ma n y a d v a n t a g e s o v e r c o n v e n t i o n a l a n t e n n a s , s u c h a s b e i n g c o m p a r a b l y l i g h t w e i g h t , l o w p r o f i l e , l o w c o s t , t h e i r c o n f o r m i t y t o s u r f a c e a n d d i r e c t i n t e g r a b i l i t y w i t h m i c r o w a v e c i r c u i t ry . o n t h e o t h e r h a n d , c o m p a r e d t o t h e c o n v e n t i o n a l a n t e n n a s , mi c r o s t r i p a n t e n n a s h a v e s o me l imi t a t i o n s . t h e s e d r a w b a c k s a r e d u e t o i t s l o w g a i n , n a r r o w b a n d w i d t h p e r f o r ma n c e a n d s u r f a c e w a v e s . mu c h w o r k h a s b e e n d o n e t o o v e r c o m e t h e s e d r a w b a c k s . f o r e x a m p l e , b a n d w i d t h c a n b e i n c r e a s e d t o m o r e t h a n 1 0 0 p e r c e n t b y u s i n g s p e c i a l t e c h n i q u e s 2 ; l o w e r g a i n a n d l o w e r p o w e r h a n d l i n g l i mit a t i o n s c a n b e o v e r c o m e t h r o u g h a n a r r a y c o n f i g u r a t i o n . s u r f a c e w a v e - as s o c i a t e d l i m i t a t i o n s s u c h a s p o o r e f f i c i e n c y , i n c r e as e d m u t u a l c o u p l i n g , r e d u c e d g a i n a n d r a d i a t i o n p a t t e rn d e g r a d a t i o n s c a n b e o v e r c o m e 勿t h e u s e o f m e t a l f e n c e s 3 o r e l e c t r o m a g n e t i c b a n d g a p s t r u c t u r e s 4 . 1 . 2 o r g a n i z a t i o n o f t h e s i s t h e f o l l o w i n g c h a p t e r 2 m a i n l y p r e s e n t s a n o v e l f o r k - l i k e s t r i p l i n e f e d a p e rt u r e c o u p l e d a n t e n n a e l e m e n t . t h e d e v e l o p me n t o f a p e rt u r e c o u p l e d ant e n n a i s b r i e fl y r e v i e w e d . a n d t h e d e s i g n e d ant e n n a e l e m e n t i s f a b r i c a t e d and t e s t e d . t h e s i m u l a t e d and m e as u r e d r e s u l t s a r e g i v e n f o r c o m p a r i s o n . c h a p t e r 3 m a i n l y d i s c u s s e s t h e r e d u c t i o n o f t h e m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n mi c r o s t r i p ant e n n a e l e m e n t s . a n o v e l p a r asi t i c s t r u c t u r e i s i n s e r te d b e t w e e n t w o m i c r o s t r i p ant e n n as t o r e d u c e t h e mu t u a l c o u p l i n g t h r o u g h c a n c e l i n g t h e s p a c e w a v e b e t w e e n t h e t w o m i c r o s t r i p p a t c h ant e n n a s . c h a p t e r 4 m a i n l y d i s c u s s e s t h e c a l c u l a t i o n and r e d u c t i o n o f m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n m i c r o s t r i p a n t e n n a a r r a y s . t h e f u l l w a v e b a s e d n e t w o r k m e t h o d i s u s e d t o c a l c u l a t e t h e m u t u a l c o u p l i n g . t h e r e s u l t s o f t h e n e t w o r k m e t h o d a r e c o m p a r e d w i t h t h o s e c a l c u l a t e d b y a n s o f t d e s i g n e r . t h e e l e m e n t s p a c i n g a l o n g t h e c o u p l i n g p l ane i s a d j u s t e d t o r e d u c e t h e m u t u a l c o u p l i n g . f i n a l l y t h e o r i g i n a l d e s i g n an d t h e a d j u s t e d d e s i g n a r e f a b r i c a t e d an d t e s t e d . c h a p t e r 5 s u m ma r i z e s t h e t h e s i s b y r e v i e w i n g s o me o f t h e i m p o r ta n t c o n c e p t s o f t h i s res e a r c h . 3 人ca t e r 刀处s i s r e s e a r c h o n t h e b a n d w i d th e n h a n c e me n t a nd mu t u a l c o u p li n g r e d u c ti o n o f mi c r o s lr ip a n t e n n a s 2 a n o v e l f o r k - l i k e s t r i p l i n e - f e d a p e r t u r e c o u p l e d a n t e n n a e l e me n t 2 . 1 li t e r a t u r e r e v i e w mi c r o s t r i p a n t e n n a s a r e c o m m o n l y f e d b y o n e o f t h r e e m e t h o d s : ( a ) c o a x i a l p r o b e , ( b ) s t r i p l i n e c o n n e c t e d d i r e c t l y t o t h e e d g e o f a p a t c h , a n d ( c ) s t r i p l i n e c o u p l e d t o t h e p a t c h t h r o u g h a n a p e r t u r e . f e e d i n g b y a c o a x i a l p r o b e h a s t h e a d v a n t a g e s o f e a s e i n i m p e d a n c e m a t c h i n g a n d l o w s p u r i o u s r a d i a t i o n a n d t h e d i s a d v a n t a g e o f h a v i n g t o p h y s i c a l l y c o n n e c t t h e c e n t e r c o n d u c t o r t o t h e p a t c h . t h e a d v a n t a g e o f d i r e c t l y c o n n e c t i n g a s t r i p l i n e t o t h e e d g e o f a p a t c h i s e a s e o f f a b r i c a t i o n . h o w e v e r , i m p e d a n c e m a t c h i n g i s n o t a s c o n v e n i e n t a s t h e p r o b e f e e d c a s e , a n d u n w a n t e d r a d i a t i o n fr o m t h e f e e d l i n e c a n b e a p r o b l e m . a m e t h o d w h i c h h a s b e c o m e v e ry p o p u l a r i s t o c o u p l e e n e r g y f r o m t h e s t r i p l i n e t h r o u g h a n a p e r t u r e ( s l o t ) i n t h e g r o u n d p l a n e . t h i s m e t h o d , k n o w n a s a p e rt u r e c o u p l i n g , w a s f i r s t p r o p o s e d b y p o z a r 5 . s o m e o f i t s a d v a n t a g e s a r e a s f o l l o w s : ( a ) t h e f e e d n e t w o r k i s i s o l a t e d fr o m t h e r a d i a t i n g e l e m e n t b y t h e g r o u n d p l a n e w h i c h p r e v e n t s s p u r i o u s r a d i a t i o n ; ( b ) a c t i v e d e v i c e s c a n b e f a b r i c a t e d i n a f e e d s u b s t r a t e w i t h h i g h d i e l e c t r i c c o n s t a n t f o r s i z e r e d u c t i o n ; ( c ) t h e r e a r e m o r e d e g r e e s o f fr e e d o m f o r t h e d e s i g n e r . t h e s l o t t h a t c o u p l e s e n e r g y f r o m t h e s t r i p l i n e t o t h e p a t c h c a n b e e i t h e r r e s o n a n t o r n o n r e s o n a n t . i f i t i s re s o n a n t , i t p r o v i d e s a n o t h e r r e s o n a n c e i n o p e r a t i o n b a n d . h o w e v e r , t h e r e s o n a n t s l o t h a s a s t r o n g b a c k l o b e r a d i a t i o n w h i c h s u b s t a n t i a l l y r e d u c e s t h e g a i n o f t h e a n t e n n a . f o r t h i s r e a s o n , a n o n r e s o n a n t s l o t i s u s u a l l y u s e d i n a p e r t u r e c o u p l e d m i c r o s t r i p a n t e n n a s . t h e i m p e d a n c e b a n d w i d t h o f t h e b a s i c f o r m o f s u c h a n t e n n a i s t y p i c a l l y 6 - 7 % . t h e i m p e d a n c e b a n d w i d t h o f a p e rt u r e c o u p le d m i c r o s t ri p a n t e n n a s c a n b e e n h a n c e d b y u s i n g s t a c k e d o r c o p l a n a r p a r a s i t i c e l e m e n t s a n a p e r t u re - c o u p l e d m i c r o s t r i p s t a c k e d p a t c h a n t e n n a i s s t u d i e d i n 6 , w i t h t h e g o a l o f o b t a i n i n g w i d e b a n d w i d t h , l o w c r o s s - p o l a r i z a t i o p a n d w e a k p a r a s it i c r a d i a t i o n f r o m t h e f e e d i n g a p e r t u r e f o r a p p l i c a t i o n s i n p h a s e d a r r a y a n t e n n a , a s i s s h o w n i n f i g .2 . i ( a ). ， a 2 5 % b a n d wi d t h wi t h vs wr l e s s t h a n 1 . 6 wa s a c h i e v e d . t h e wo r s t b a c k t o f r o n t r a t i o i s a b o u t 一 1 8 d b f o r t h i s a n t e n n a . a n o t h e r a p e r tu r e c o u p l e d s t a c k e d p a t c h a n t e n n a w i t h a n o p e r a t i n g b a n d w i d t h ( d e f i n e d a s h a v i n g a r e t u rn l o s s o f - i o d b ) o f o v e r 5 0 % i s p r o p o s e d i n 7 , as i s s h o w n f i g . 2 . 1 ( b ) . b a c k r a d i a t i o n l e v e l s r a n g e d f r o m一 1 0 t o 一 1 5 d b o v e r t h e b a n d , r e l a t i v e t o m a s 招 尸 刀 4 s 臼 r e s e a rch o n t h e b a n d w id t h e n h a n c e me n t a n d mu tu a l c o u p l in g r e d u c t io n o f mic r o s t r ip a n te n n a s 3 t h e r e d u c t i o n o f mu t u a l c o u p l i n g b e t w e e n mi c r o s t r i p a n t e n n a e l e me n t s 3 . 1 li t e r a t u r e r e v i e w mu t u a l c o u p l i n g b e t w e e n t h e a n t e n n a e l e m e n t s i n a n a n t e n n a a r r a y i s a p o t e n t i a l s o u r c e o f p e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n , p a r t i c u l a r l y i n a h i g h l y c o n g e s t e d e n v i r o n m e n t . d e p e n d i n g o n t h e a p p l i c a t i o n , e r r o r s d u e t o m u t u a l c o u p l i n g c a n b e s i g n i f i c a n t . a l o t o f w o r k h as b e e n d o n e t o a n a l y z e a n d r e d u c e t h e m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n mic r o s t r i p a n t e n n a s . i n t h e c as e o f r e c t a n g u l a r p a t c h e s , e x t e n s i v e s t u d i e s w e r e c a r r i e d o u t f o r t h e e a n d h p l a n e c o n f i g u r a t i o n s 1 8 一 2 0 . i n 2 1 , t h e c al c u l a t e d m u t u al c o u p l i n g r e s u l t s f o r t h e d i a g o n a l a n d p e r p e n d i c u l a r o r i e n t a t i o n s a r e p r e s e n t e d a n d c o m p a r e d w i t h t h e e a n d h p l a n e o r i e n t a t i o n s . a n u me r i c a l a n a l y s i s o f t h e m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n t w o mi c r o s t r i p a n t e n n as w i t h c o p l a n a r m i c r o s t r i p f e e d l i n e s i s p r e s e n t e d i n 2 2 . t h e im p e d a n c e m a t r i x a n d t h e f e e d m o d e l c r i t e r i a , w h i c h a r e c r i t i c al i n p r e d ic t i n g t h e i n p u t i m p e d a n c e a n d m u t u al c o u p l i n g , a r e al s o m e n t i o n e d a n d t h e e x a c t g r e e n s f u n c t i o n i s u s e d t o m o d e l a m i c r o s t r i p p a t c h . a d e t a i l e d d e s c r i p t i o n o f t h i s m i c r o s t r i p p a t c h m o d e l c a n b e f o u n d i n t h e l i t e r a t u r e 2 3 . a f u l l - w a v e 3 - d f d t d m o d e l i s u s e d t o a n a l y z e t h e m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n t w o a p e rt u r e m i c r o s t r i p p a t c h a n t e n n a s 2 4 1 . t h e f d t d m e t h o d s o l v e s , i n a n i t e r a t i v e w a y , a l i n e a r i s e d f o r m o f t h e m a x w e l l s e q u a t io n s i n 3 d - s p a c e 2 5 t h e c o u p l i n g c o e ff i c i e n t s a r e c a l c u l a t e d fr o m t h e v o l t a g e s a n d c u r r e n t s a t t h e i n p u t p o rt s o f t h e a n t e n n a , r a t h e r t h a n f r o m t h e i n c i d e n t a n d r e fl e c t e d w a v e s , as i s u s u a l l y d o n e 2 6 . u s e i s m a d e o f s t a n d a r d t w o - p o rt n e t w o r k t h e o ry , w h e r e o n e p o rt i s t e r m i n a t e d w i t h a v o l t a g e s o u r c e a n d i t s i n t e rn al r e s i s t o r a n d t h e o t h e r p o rt i s t e r m i n a t e d w i t h a l o a d r e s i s t o r . t h e m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n t w o e l e c t r o m a g n e t i c a l ly c o u p l e d t h r e e - l a y e r c i r c u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n as h as b e e n i n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t al l y 2 7 . t h e m e as u r e m e n t s h a v e b e e n c a r r i e d o u t o n t h e t w o - e l e me n t a r r a y s f a b r i c a t e d o n d i ff e r e n t i n d i v i d u a l s u b s t r a t e s f o r e a c h c o m b i n a t i o n o f p a t c h e d g e s p a c i n g s . a f u l l - w a v e a n a l y s i s o f t h e m u t u a l c o u p l i n g b e t w e e n t w o p r o b e - f e d r e c t a n g u l a r m i c r o s t r i p a n t e n n a s o n a c y l i n d r i c a l b o d y i s p r e s e n t e d i n 2 8 . n u m e r i c a l r e s u l t s o f t h e m u t u a l i m p e d a n c e b e t w e e n a n t e n n a s a n d t h e m u t u al c o u p l i n g c o e f f i c i e n t s 2 , a r e c a lc u l a t e d u s i n g a m o m e n t m e t h o d c al c u l a t i o n . t h e m u t u al c o u p l i n g b e t w e e n a p a i r o f s h o rt e d a n n u la r r i n g 弃 扫s t e r t h e s i s r e s e a r c h o n th e b a n d w i d th e n h a n c e m e n t a n d mu t u a l c o u p l i n g r e d u c t i o n o f mic r o s tr i p a n t e n n a s ( s a r ) r s w a n t e n n a s w a s s t u d i e d t h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l y 2 9 . r e d u c e d s u r f a c e wa v e ( r s w ) a n t e n n a s p r o d u c e o n l y a s m a l l a m o u n t o f s u r f a c e w a v e a n d l a t e r a l - w a v e r a d i a t i o n s i n c e t h e s u r f a c e - w a v e a n d l a t e r a l - w a v e r a d i a t i o n fr o m t h e d o mi n a n t t mo 1 , p a t c h m o d e i s s u p p r e s s e d t h r o u g h p r o p e r d e s i g n 3 0 . i n 3 1 , s i l i c o n m i c r o m a c h i n e d s t r u c t u r e s a r e u t i l i z e d a s a n e w e f f i c i e n t mic r o s t r i p p a t c h a n t e n n a . s i l i c o n mi c r o m a c h i n i n g p r o c e s s i s c o m p a t i b l e w it h c u r r e n t s o l i d s t a t e t e c h n o l o g i e s f o r a c t i v e c i r c u i t s . a n e ffic i e n t t e c h n i q u e f o r r e d u c i n g t h e c o u p l i n g i s m a c h i n i n g t h e d i e l e c t r i c b e l o w t h e p a t c h , s o t h a t t h e r e i s a i r b e l o w t h e p a t c h . i t i s s h o w n t h a t t h e m i c r o m a c h i n e d s u b s t r a t e c a n e ff e c t i v e l y s u p p r e s s t h e s u r f a c e w a v e e x c i t a t i o n a n d , t h u s , r e d u c e m u t u a l c o u p l i n g a n d i n c r e a s e a n t e n n a e f f i c i e n c y . f u rt h e r , m i c r o m a c h i n e d a n t e n n a s h a v e w i d e r b a n d w i d t h t h a n t h e c o n v e n t io n a l p a t c h a n t e n n a d u e t o i t s l o w e f f e c t i v e d i e l e c t r i c c o n s