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高性能毫米波新型天线研究

朱剑锋  
【摘要】:通信系统对带宽的需求使得人们开始探索尚未被完全开发利用的毫米波频段作为未来宽频通信网络的媒质。毫米波超宽的带宽使得未来通信系统高容量高速率的Gigabit速率传输成为可能。但是随着频率升高路径损耗严重,信号传输距离短。此外毫米波信道因为大气吸收以及雨衰使得损耗进一步加剧,举例来说,在60-GHz频段损耗高达15dB/km。为了解决这一问题,在天线层面要求天线必须具备包括宽频高增益等在内的一系列高性能指标。同时,传统的平面印刷工艺(Printcircuitboard,PCB)并不能满足毫米波天线的加工需求,更为稳定和精细的加工技术例如低温共烧陶瓷(Low temperature co-fire ceramics,LTCC)工艺,微加工工艺(Micro-fabrication)以及3-D打印技术成为了毫米波天线的主流加工技术。.本论文基于PCB,LTCC以及3-D 打印等工艺,从天线的辐射单元、馈电网络、电磁辐射极化调控与波束整形机理等方面进行创新,探索设计了一系列新型高性能毫米波天线并对其进行了相应的深入探讨。论文主要研究内容如下:1.新型60-GHz宽频高增益LTCC电磁封装天线的设计研究。在本章中,新型毫米波天线的“新”主要体现在天线辐射单元上的创新。1)基于差分天线的原理,我们提出了一种利用差分贴片对金属腔体组成的口径进行馈电的“平面口径天线”单元,该单元融合了差分天线低交叉极化以及口径天线高口径效率和高增益的特性,天线能获得比一般贴片天线高出5dBi增益的效果,同时由于行波激励天线口径面,天线的带宽比谐振天线更宽。该平面口径天线非常容易组成阵列进一步提高增益。这部分内容的成果以“Single-Ended-Fed High-Gain LTCC Planar Aperture Antenna for 60 GHz Antenna-in-Package Applications”为题发表在国际学术期刊 IEEE Transaction on Antennas and Propagation 上。2)提出了 一种新型单端馈电加短路点的贴片辐射单元,这种单元可以取得类似差分天线的良好辐射特性(交叉极化小,增益在很宽的频段内都十分稳定)且无需复杂的差分结构,单元容易组成阵列进一步提高增益。这部分内容的成果以“Low-Profile Wideband and High Gain LTCC Patch Antenna Array for 60-GHz Applications”为题发表在国际学术期刊 IEEE Transaction on Antennas and Propagation 上。这两款新型天线一个拥有高增益高口径效率,一个结构简单且辐射性能优良,适用于毫米波电磁封装天线的应用。2.基于新型馈电网络的高性能毫米波天线研究。在本章中,新型毫米波天线的“新”主要体现在天线馈电网络上的创新。1)首先提出了使用基片集成腔的高次模式对天线进行激励的新方法,使用腔体的TE340模式对天线进行激励,相比传统的基片集成功分网络效率更高,结构也更简单。基于该腔体高次模激励的方法,设计了高次模式激励的16阵元的线极化与圆极化天线。研究发现通过使用高次模激励,天线不再需要传统的高损耗大体积馈电网络,这使得天线馈电网络插损减小,能取得更高的辐射效率。天线在加工过程中需要使用的金属化过孔大量减少,使得天线鲁棒性更高,此外也极大地减小了加工复杂度和加工成本。值得一提的是,使用高次模式激励的方法并不限于本章中提出的16元阵,天线阵元可以增加至64元,128元甚至更多,而天线的辐射效率并不会明显下降。这部分内容的成果以“60 GHz Wideband High-Gain Circularly Polarized Antenna Array With Substrate Integrated Cavity Excitation”和“mm-Wave High Gain Cavity-Backed Aperture-Coupled Patch Antenna Array”为题分别发表在国际学术期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters 以及 IEEE Access上。2)基于基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)魔Tee结构固有的宽频匹配和相位均衡,提出了一种高性能单脉冲天线,并将SIW魔Tee结构进一步扩展,提出了实现二维单脉冲天线的新型馈电网络。基于该馈电网络的二维单脉冲天线匹配带宽能够覆盖整个60-GHz频段,同时天线辐射性能良好,在很宽的频段内都能保证稳定的和差方向图。这部分内容的成果以“60-GHz Substrate Integrated Waveguide Based Monopulse Slot Antenna Arrays”为题发表在国际学术期刊IEEE Transaction on Antennas and Propagation 上。3.基于3-D打印技术的新型毫米波电磁波束与极化一体化调控透镜研究。在本章中,新型毫米波天线的“新”主要体现在透镜极化编码调控单元上的创新和新型的加工技术,即3-D打印技术。利用3-D打印技术,首先提出了一种3-比特极化调控编码单元,这种3-比特极化编码单元不仅能实现对线极化入射波转换为圆极化出射波,而且可以实现透镜聚焦所需的360度循环相位。基于这种编码单元,首先提出了一种紧凑型线/圆极化转换和波束调控一体化透镜。该透镜将极化转换和透镜聚焦的功能完美融合在一起,相比将透镜加载在极化器实现的圆极化透镜天线剖面更低。紧接着提出了 Wollaston棱镜型和Rochon棱镜型平面圆极化波束整形透镜,可以将两路正交的圆极化波(即左旋圆极化波和右旋圆极化波)进行分离,在实现较大偏转角的同时天线低剖面。这部分内容以“3-D Printed Planar Dielectric Linear-to-Circular Polarization Conversion and Beam Shaping Lenses Using Coding Polarizer”为题发表在国际学术期刊IEEE Transaction on Antennas and Propagation 上。4.基于相位调制的新型毫米波电磁波极化控制与波束赋形天线。在本章中,新型天线的“新”主要体现在利用超表面实现毫米波电磁极化与波束控制天线的新方法。1)提出了一种基于相位调制的新型毫米波双频电磁波极化控制与波束赋形反射阵。将传播调相与几何调相相结合,首先实现了对左右旋圆极化进行分别调控。为了实现双频传输,进一步将频率选择表面(Frequency selective surface,FSS集成在两种不同调相单元(开口环和十字贴片)之间,FSS可以完全反射高频电磁波而对低频的电磁波无阻挡,同时可以有效减小两个频段之间的互耦。设计的反射阵实现了在一个口径面上对双频双圆极化四个波束的独立调控。这部分内容以“Polarization-Independent Dual-Band Dual Circularly Polarized 3-Bit Beam Shaping Reflect-Array for Intelligence Transportation System(ITS)Applications”为题投稿至国际学术期刊 IEEE Transaction on Antennas and Propagation。2)利用偶极子天线置于极化扭转人工磁表面(Artificial magnetic conductor,AMC)表面上可以实现圆极化辐射的原理,设计了一种集成FSS的双频极化扭转AMC表面,将双频双向辐射的线极化天线阵列置于该AMC表面,利用双频极化扭转AMC表面反射的电磁波比天线直接辐射到上半球面的电磁波相位差90°或-90°,实现了一种双频双圆极化贴片天线阵而无需其它复杂的馈电方案。天线频段分别位于X波段和Ku波段,具有宽的阻抗带宽、高的极化纯度和高的增益,适合于车载卫星之间的双向通信。这部分内容以“Dual-Band Dual Circularly Polarized Antenna Array Using FSS-Integrated Polarization Rotation AMC Ground for Vehicle Satellite Communications”为题发表在国际学术期刊 IEEE Transactions on Vehicular Technology上。


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