第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)離正式商用越來(lái)越接近,面向5G的大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)在其中扮演著重要的作用。毫米波段因?yàn)槠洳ㄩL(zhǎng)較短,頻帶寬、在霧、雪、塵埃等中有良好的傳播等特性,使其器件尺寸小,波束寬度窄,具有高分辨率和精度,能夠降低地面多徑效應(yīng)和雜波回波水平,提高跟蹤低仰角目標(biāo)的能力,能夠消除來(lái)自波束方向以外的干擾,提高天線的增益,降低對(duì)發(fā)射機(jī)峰值和平均功率的要求。由于在毫米波的源、波導(dǎo)、元器件以及天線等方面又有長(zhǎng)足的發(fā)展,所以毫米波的研究在5G通信以及雷達(dá)、制導(dǎo)、遙感技術(shù)和射電天文學(xué)方面都有重大的意義。在頻譜資源十分緊張的未來(lái)通信領(lǐng)域,雙極化天線,或者最終具有雙極化效果的天線陣列組合就具有十分廣闊的應(yīng)用前景,它可以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用,使通信容量增加一倍。雷達(dá)系統(tǒng)和通信的其他領(lǐng)域中也常常需要雙極化天線。本文主要研究了用于5G通信的毫米波陣列天線,通過(guò)設(shè)計(jì)極化方向垂直的天線陣列,綜合實(shí)現(xiàn)雙極化天線的效果,兼具毫米波段和雙極化天線的優(yōu)點(diǎn),在即將實(shí)現(xiàn)的5G通信系統(tǒng)中,將具有良好研究前景和應(yīng)用價(jià)值。論文主要工作如下:(1)設(shè)計(jì)了一種用于5G通信的水平極化毫米波微帶陣列天線,采用偏移饋電,多層PCB板結(jié)構(gòu),將輻射貼片與接地共面波導(dǎo)饋線分布于兩面,通過(guò)金屬化過(guò)孔連接,組成8X16微帶陣列天線,利用高頻電磁仿真軟件對(duì)該陣列天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化,結(jié)果表明,天線在Ka波段實(shí)現(xiàn)了工作帶寬大于2GHz(S11-lOdB),增益達(dá)到26dB,通過(guò)控制饋電相位,能夠?qū)崿F(xiàn)波束在水平面±60度內(nèi)掃描。對(duì)單元和子陣進(jìn)行了加工測(cè)試,結(jié)果基本達(dá)到預(yù)期。(2)設(shè)計(jì)了垂直極化的毫米波微帶陣列天線,采用耦合饋電結(jié)構(gòu),多層PCB板結(jié)構(gòu),射頻端口通過(guò)底層的接地共面波導(dǎo)連接帶狀線,通過(guò)縫隙耦合到表面微帶貼片,組成2×16微帶陣列天線,仿真結(jié)果表明,天線在Ka波段實(shí)現(xiàn)了工作帶寬大于2GHz。(3)設(shè)計(jì)了一款毫米波頻段并聯(lián)饋電天線陣列,利用T型二路微帶功率分配器,進(jìn)行六級(jí)級(jí)聯(lián)形成饋電網(wǎng)絡(luò),對(duì)64個(gè)輻射單元進(jìn)行等幅同相饋電,并且通過(guò)非輻射邊饋電,形成垂直方向線極化的輻射方向圖。并進(jìn)行了加工測(cè)試,實(shí)測(cè)在33.8GHz-36.2GHz之間實(shí)現(xiàn)了S11-10dB,在中心頻點(diǎn)35GHz處的增益為24.4dB,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
【學(xué)位單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN828.6
【部分圖文】：

??圖２－１微帶饋電窄縫天線??圖２－２表示的是窄縫天線的等效串聯(lián)圖，輸入阻抗由兩部分組成，輻射電阻Ｒ和電抗元件Ｘ。??當(dāng)縫隙諧振在所需要的頻率上時(shí)，天線的輸入阻抗的電抗部分就是０，對(duì)于介電常數(shù)低的基板而言，??偏心饋電縫隙的諧振長(zhǎng)度在０．４和０．５個(gè)波長(zhǎng)之間，而且還和介質(zhì)材料、縫隙寬度和饋電點(diǎn)位置有關(guān)??［１８］。??Ｔ??ｒｈ?７?ｔ??！輻射縫ＩＳ?Ｉ?！??ｊ?Ｉ?Ｒ?Ｘ?１??［－：：：：：半??屮?！?！??Ｔ??（ａ）?（ｂ）??圖２－２窄縫天線的等效電路圖（ａ）矩形窄縫結(jié)構(gòu)（ｂ）等效電路圖??Ｎａｋａｏｋａ等人已經(jīng)給出了對(duì)于微帶縫隙天線在任何饋電點(diǎn)位置下的輻射電阻的詳細(xì)計(jì)算公式［１９］。??假設(shè)縫隙以終端開(kāi)路微帶線為激勵(lì)并且縫上電流分布為／〇〇?＝岡，天線的輻射電阻可表示為??４Ｓｎ２?ｃ〇ｓｊ；（ｘ?＋?Ｄ）ｄｘ｜??Ｒ?＝?（２．１５）??㈤卜善崎）１??２?ｆＰＷｍ＼２??２?ｖ?４?／??其中，Ｌ是縫隙長(zhǎng)度；Ｄ是偏心距離，指的是微帶饋線中心到縫隙中心的距離，如圖２．３??所示；Ｗｓ是縫隙寬度ＷＳ《ＡＱ；?Ｗｍ是導(dǎo)帶寬度；Ｐ是傅里葉變換的變量；Ｒ是在微帶線上測(cè)得??的電阻值。??Ｄ／Ｌ增大，輻射電阻減小。當(dāng)Ｄ／Ｌ?２?０．５時(shí)，縫隙的諧振長(zhǎng)度可以寫成：??Ｌ?＝?＾?－?２?厶?Ｚ?（２．１７）??其中，４是縫隙中的波長(zhǎng)，２?Ａ?Ｚ是由于縫隙邊緣電流不為零而引入的等效縫隙長(zhǎng)度增量。??１２??

圖２－３縫隙結(jié)構(gòu)示意圖??接下來(lái)我們來(lái)討論縫隙天線的輻射方向圖，假設(shè)縫隙橫向電場(chǎng)值已明確，那么縫隙天線的輻射??場(chǎng)就可以用電矢量位法來(lái)計(jì)算。圖２．３中天線結(jié)構(gòu)（Ｄ＝０）的遠(yuǎn)場(chǎng)分量可寫為：??Ｗｉ?ｋ??．?２?２??—ｉｋｎ?ｅ￣＾ｋ〇ｒ?ｆ?ｆ??Ｅｇ?＝?：?ｒ?ｊ?ｊ?（—Ｍｘｓｉｎ＜ｐ?＋?Ｍｙｃｏｓ（ｐ）?■?ｅ—】Ｘｘｓｉｎ０ｃ。坤＋ｙｓｉｎ０ｓ＿）ｄｘｄｙ?（２．１８）??￣￣ｆ?￣２??＾?ｋ??２?２??＝作。：肛—ｃｏｓ０?ｊ?ｊ（Ｍｘｃｏｓ＜ｐ?＋?Ｍｙｓｉｍｐ）?■?ｅＪｋ〇（ｘｓｍ０ｃｏｓ＜ｐ＋ｙｓｉｎ０ｓｉｎ＜ｐ）ｄｘｄｙ?（２．１９）??￣￣ｆ?￣２??Ｍ（ｘ，ｙ）?＝?ＡｆＪ?＋?Ａｆｙｙ是面磁流，它可以用縫隙電場(chǎng)來(lái)表示：??Ｍ（＾，ｙ）?＝?Ｅ（ｘ，ｙ）?ｘ?ｎ?＝?Ｅｙｘ?＋?Ｅｘｙ?（２．２０）??當(dāng)縫寬相對(duì)于自由空間波長(zhǎng)很小時(shí)，即。對(duì)于一階近似情況，縫隙的橫向電場(chǎng)可認(rèn)為是??恒定不變的。見(jiàn)圖，如果仏＝０并且＆?＝?￡〇，式（２－２０）和（２－２１）可簡(jiǎn)化為：??．ｊｋ０Ｅ０ＩＭｓｅ－＾ｒｓｉｎＸ?？?—、??Ｅ０?＝——???—ｓｉｎ（ｐ?（２－２１）??．ｊｋ０Ｅ０ＬＷｓｅ－＿ｓｉｎＸ?＾??Ｅａｙ?＝???—?ｃｏｓ（ｐｃｏｓ０?（２．２２）??ｖ?４７ｔ?ｒ?Ｘ??其中，Ｘ?＝?＾?ｓｉｎ０ｃｏｓ＜ｐ??應(yīng)用公式??Ｒ＾）?＝?｜Ｅｅ｜２?＋?｜Ｅｊ２?＝?（＾＾）?（２－２３）??ＲＨ（０）?＝?｜Ｅｅ｜２?＋?

選擇的是偏移饋電。中間邊饋式就是我們最常見(jiàn)的微帶饋電方式，微帶貼片天線的饋電邊是輻射邊??（即貼片的寬邊）；而在偏移邊饋式微帶貼片天線中，能量是從非輻射邊（即貼片的長(zhǎng)邊）饋電。如??圖３－１所不：??／?＾?介質(zhì)板??圖３－１偏移邊饋式微帶天線單元的結(jié)構(gòu)圖??根據(jù)參考文獻(xiàn)，可知偏移邊饋方式中，電場(chǎng)沿著非輻射邊呈正弦分布，所以改變微帶線在非輻??射邊饋電的位置，可以改變輸入阻抗［２ｎ］。因此可以通過(guò)改變非輻射邊饋電點(diǎn)的偏移量來(lái)優(yōu)化阻抗匹??配。在非輻射邊的偏移邊饋可以很大幅度地調(diào)節(jié)微帶天線的輸入阻抗的值。而且可以看出，偏移邊??饋對(duì)于諧振頻率幾乎不會(huì)造成影響，不會(huì)造成諧振頻率的偏移。當(dāng)然，通過(guò)改變輻射邊的長(zhǎng)度，也??可以調(diào)節(jié)輸入阻抗。從文獻(xiàn)中還可以看出，當(dāng)饋線在或者靠近非輻射邊的中心處時(shí)，天線的輸入阻??抗幾乎為零。??最終設(shè)計(jì)的水平線極化陣列需要水平有±６０°的掃描范圍，而垂直方向只需要±３０°的掃描范圍。??考慮到在這個(gè)頻段單元的尺寸，饋電端口之間的距離很緊湊。所以設(shè)計(jì)將垂直方向兩個(gè)貼片通過(guò)非??轄射邊饋電連接在一起
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