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毫米波宽带平面集成阵列天线研究

吴杰  
【摘要】:随着无线通讯技术的发展,微波频段低端的频谱资源越来越拥挤,频段内相互干扰越来越严重,因此人们将目光转向微波频段的高端,即毫米波频段。毫米波具有丰富的频谱资源,然而在毫米波频段大气传输损耗严重。为了满足实际应用中的作用距离要求,通常需要使用高增益天线。天线组阵是实现高增益的一种直接而有效的途径,然而在毫米波频段,由于工作频率高导致器件尺寸小,这给天线馈电和布局带来了困难,特别是具有低剖面特性的毫米波平面阵列天线。除了宽带和高增益外,极化复用技术是提高系统容量的另一个有效途径,然而由于尺寸限制,毫米波宽带平面集成阵列天线的圆极化合成和双极化提取实现难度大。本文围绕毫米波平面阵列天线宽带高增益和宽带双/圆极化这两个关键问题展开深入研究,涉及多种适用于宽带高增益、宽带双/圆极化毫米波平面阵列天线的设计方法和拓扑结构,并对提出的天线模型开展了实验研究。论文的主要工作如下:1.针对毫米波平面集成阵列天线中宽带和高增益兼顾困难的问题,提出了一种微带–基片集成波导(SIW)–波导混合馈电的阵列天线。首先将微带贴片子阵列和SIW结合在一起,实现了阵列布局的紧凑设计;然后通过微带贴片子阵列馈电形式的创新,实现了微带模式和等效偶极子模式的复用,从而达到展宽天线带宽的目的。在此基础上,本文研究了阵列规模与天线效率之间的关系,提出根据阵列规模选择馈电网络传输线组合形式。实验研究的64×64元微带-SIW-波导混合馈电天线实现了14.6%的带宽,最大增益为39.2dBi,与微带阵列天线和SIW阵列天线相比,增益得到显著提升,与传统的波导阵列天线相比,加工成本大大降低。2.针对毫米波双极化平面集成阵列天线馈电、组阵布局困难的问题,提出了一种辐射单元口径复用、馈电网络分层排列的双线极化平面集成阵列天线。本文所提出的天线辐射单元为双层微带贴片,即驱动贴片和寄生贴片。对驱动贴片分别使用直接馈电和口径耦合馈电来提取两个正交线极化的能量,在此基础上优化馈电网络拓扑以提高两个线极化之间的隔离度。实验研究的8×8元双线极化平面集成阵列天线的工作带宽为21.4%,带内端口隔离大于30dB,同时实现了宽频带和高隔离。3.针对毫米波圆极化平面集成阵列天线宽带和高效率难兼顾的问题,提出了一种具有带状线馈电网络的单馈型定向波束圆极化平面集成阵列天线。首先提出一种宽带单馈型圆极化天线单元,其结构形式为多枝节带状延迟线通过十字缝隙馈分形贴片。其单馈型口径耦合结构不仅简化了圆极化合成网络,而且实现了多谐振设计,从而展宽了天线的工作带宽;然后提出一种加载平行板模式抑制柱的带状线馈电网络,实现了阵列天线的宽带、高效率设计。实验研究的4×4元单馈定向波束圆极化阵列天线工作带宽为14%,天线效率大于60%。相比于传统的单馈型定向波束圆极化平面阵列天线,带宽和效率得到兼顾。4.在研究了毫米波平面集成阵列天线的宽带高增益问题、宽带双线极化问题和宽带圆极化问题后,本文将实现一种同时具有宽带、高增益和双圆极化特性的毫米波平面集成阵列天线。为了提高毫米波双极化阵列天线的效率,本文设计了一种全波导结构的双极化阵列天线,其辐射单元为方波导口径。本文使用一种复合腔对2×2元基本子阵列馈电,既保证了合理的单元间距,又实现了简单紧凑的阵列布局,并使得天线具有宽带特性。在此基础上加载隔板极化器形成双圆极化子阵列,最后通过阵列扩展实现了高增益、高效率、宽频带的双圆极化阵列天线设计。实验研究的16×16元双圆极化阵列天线工作带宽为16%,增益大于31.4dBi,左右旋圆极化端口隔离大于13dB(11.8%带宽内隔离大于20dB)。


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