【摘要】：毫米波段豐富的頻譜資源可滿足大容量、高速率寬帶無線通信的應(yīng)用需求。毫米波天線及陣列作為通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,近年來已成為研究熱點(diǎn)�；パa(bǔ)源天線作為一類將電流和等效磁流源相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)電磁輻射的天線類型,具有寬帶和輻射特性穩(wěn)定的性能優(yōu)勢(shì),適合毫米波通信應(yīng)用。然而已有毫米波互補(bǔ)源天線結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,不易低成本集成化,且輻射特性與低頻同類天線相比存在明顯不足。本文針對(duì)毫米波互補(bǔ)源天線開展研究,提出了毫米波基片集成互補(bǔ)源天線的極化調(diào)控、增益提升、天線小型化和帶寬展寬方法,設(shè)計(jì)并采用低成本印刷電路板工藝實(shí)現(xiàn)了多種具有寬帶、多極化、增益穩(wěn)定和低后向輻射特性的毫米波互補(bǔ)源天線及陣列。研究工作豐富了毫米波天線種類,提升了天線性能。研究結(jié)果可為第五代移動(dòng)通信等應(yīng)用中的毫米波天線設(shè)計(jì)提供理論與技術(shù)支撐。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下:1.研究設(shè)計(jì)了毫米波基片集成水平極化端射磁電偶極子天線。通過采用在寬邊垂直于介質(zhì)基片的基片集成波導(dǎo)開口端加載金屬貼片的方法,實(shí)現(xiàn)了輻射所需的垂直方向等效磁流源和水平方向電流源。為方便天線饋電,設(shè)計(jì)了基片集成90°扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了具有多層折合結(jié)構(gòu)的小型化基片集成巴特勒矩陣波束形成網(wǎng)絡(luò),與傳統(tǒng)單層結(jié)構(gòu)相比,可減小45%的水平方向尺寸。將所設(shè)計(jì)天線與波束形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了水平極化二維多波束天線陣列。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該陣列帶寬為22.1%,增益達(dá)到13.1 dBi,可以實(shí)現(xiàn)約70°范圍的波束覆蓋。2.提出了毫米波基片集成圓極化端射互補(bǔ)源天線設(shè)計(jì)方法。通過在基片集成波導(dǎo)終端開口的上下寬邊刻蝕反向?qū)ΨQ縫隙,實(shí)現(xiàn)水平方向同相電流輻射,并與波導(dǎo)終端開口面上電場(chǎng)所形成的水平方向等效磁流結(jié)合,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交電場(chǎng)分量。通過改變刻蝕縫隙的結(jié)構(gòu)尺寸,可調(diào)控兩類源產(chǎn)生輻射場(chǎng)的幅度和相位。所設(shè)計(jì)天線具有64%阻抗帶寬和51%的3 dB軸比帶寬。為了進(jìn)一步提升天線增益并且減小后向輻射,在天線口面前端引入平面介質(zhì)棒加載結(jié)構(gòu)。加載后天線的阻抗和軸比交疊帶寬為41%,增益達(dá)到12dBic,方向圖前后比為20dB。3.為進(jìn)一步提升天線單元輻射增益,將互補(bǔ)源概念由點(diǎn)源天線設(shè)計(jì)拓展至口徑天線設(shè)計(jì)中,提出了毫米波基片集成互補(bǔ)源平面喇叭天線。通過在H面喇叭天線的輻射口面上加載偶極子陣列,實(shí)現(xiàn)線狀互補(bǔ)源輻射,天線具有44%的阻抗帶寬,12 dBi的天線增益和大于10 dB的輻射前后比。采用所提出互補(bǔ)源喇叭天線設(shè)計(jì)了 1 × 4規(guī)模的喇叭陣列,陣列單元間距達(dá)到2.3λ0。利用相位校正技術(shù)進(jìn)一步改善喇叭口面場(chǎng)的幅度和相位分布,從而提升單元口徑效率,抑制高柵瓣電平。所設(shè)計(jì)喇叭天線陣列具有33%的帶寬,增益達(dá)到14.6 dBi,且旁瓣電平基本低于-10 dB。4.研究了進(jìn)一步降低毫米波基片集成端射互補(bǔ)源天線剖面高度的方法,基于電磁學(xué)鏡像原理,提出了毫米波磁電單極子天線。通過適當(dāng)增加天線底部金屬層大小,可將在基片集成波導(dǎo)終端開口加載的電偶極子替換為單極子,同時(shí)降低基片集成波導(dǎo)厚度,并采用在單極子頂端加載的方法進(jìn)一步降低天線高度。天線剖面高度由原有端射磁電偶極子的0.51λ0降低為磁電單極子的0.19λ0,且具有60.7%的工作帶寬和穩(wěn)定的輻射特性。所設(shè)計(jì)Ka頻段天線可覆蓋現(xiàn)有全部5G毫米波通信頻段,且天線高度僅為1.7 mm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了天線在移動(dòng)終端應(yīng)用中面臨的金屬地板大小和介質(zhì)天線罩對(duì)天線特性的影響,計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為此類天線的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考。5.為解決由基片集成波導(dǎo)饋電帶來的波導(dǎo)單模工作頻率范圍對(duì)天線帶寬的限制問題,研究設(shè)計(jì)了由工作在TEM模式的基片集成同軸線饋電的毫米波磁電偶極子天線。通過在終端開路的基片集成同軸線加載電偶極子的方法,成功激勵(lì)了所需的磁電偶極子天線模式。設(shè)計(jì)了共面波導(dǎo)至基片集成同軸線的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu),方便天線饋電。該天線橫向結(jié)構(gòu)尺寸小,具有73.7%的工作帶寬,天線方向圖在寬頻帶內(nèi)較為穩(wěn)定,且交叉極化和后向輻射低。
【圖文】：

漸變槽線天線是一類具有超寬帶特性的行波天線，常用的漸變槽線天線包括逡逑指數(shù)漸變槽線天線和線性漸變槽線天線。由于天線的輻射場(chǎng)集中在漸變槽線之間，逡逑組陣時(shí)，兩個(gè)天線單元之間的隔離度較高，因而適合毫米波陣列應(yīng)用。文獻(xiàn)［４９］逡逑中設(shè)計(jì)了改進(jìn)型ＳＩＷ到漸變槽線的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)來減小天線的交叉極化，同時(shí)提高天逡逑線的帶寬。文獻(xiàn)［５０］中通過在天線的金屬貼片邊緣刻蝕梳狀縫隙來減小表面波從而逡逑提高增益，其天線結(jié)構(gòu)如圖１－２邋（ａ）所示�？涛g梳狀縫隙的方法還被應(yīng)用在文獻(xiàn)［５１］逡逑中用來減小天線橫向尺寸，使其能夠應(yīng)用在波束掃描陣列中，該結(jié)構(gòu)如圖１－２邋（ｂ）逡逑所示。文獻(xiàn)［５２］將漸變槽線天線設(shè)計(jì)在空氣填充的ＳＩＷ中，進(jìn)一步減小了介質(zhì)填逡逑充ＳＩＷ帶來的介質(zhì)損耗。逡逑對(duì)數(shù)周期天線屬于非頻變天線，也是一種超寬帶天線結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)的帶線逡逑或同軸結(jié)構(gòu)饋電的對(duì)數(shù)周期天線，基片集成波導(dǎo)饋電的對(duì)數(shù)周期天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，逡逑易于集成［５３］，采用基片集成波導(dǎo)饋電的對(duì)數(shù)周期天線的結(jié)構(gòu)如圖１－３所示。文獻(xiàn)ｔ５４Ｊ逡逑中利用加載領(lǐng)結(jié)型的引向器和寄生貼片來進(jìn)一步提升天線增益。逡逑雖然這些毫米波基片集成端射天線具有帶寬寬和增益高的優(yōu)點(diǎn)，但是大多數(shù)逡逑

邐北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文邐逡逑單層介質(zhì)內(nèi)的喇１＾入天線不同，文獻(xiàn)［６１］在嗽ＢＡ邋口面上下分別加載終端開口的平行轉(zhuǎn)逡逑接結(jié)構(gòu)，使得天線口面處共有三層介質(zhì)，所設(shè)計(jì)天線帶寬大于１０％。此外，，加脊逡逑ＳＩＷ也被應(yīng)用在喇叭天線的設(shè)計(jì)當(dāng)中［６２］，天線的仿真帶寬達(dá)到５０％以上，但是多逡逑層的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，不便加工。在平面喇叭天線的設(shè)計(jì)當(dāng)中，除了考慮阻抗帶寬逡逑之外，在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)包括穩(wěn)定的增益和輻射方向圖、低旁瓣和高前后比在內(nèi)逡逑的良好輻射特性對(duì)實(shí)際應(yīng)用也十分重要。為提高平面喇叭天線的增益，研宄者們逡逑設(shè)計(jì)了不同的相位校正結(jié)構(gòu)，包括金屬孔陣列［６３］以及縫隙ＳＩＷ技術(shù)［６４］等，但是此逡逑類天線的帶寬都不足２０％。逡逑
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN822

【參考文獻(xiàn)】

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1 江梅;毫米波平面反射陣與透鏡天線的研究[D];東南大學(xué);2015年

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1 無奇;衛(wèi)星移動(dòng)通信終端天線技術(shù)研究[D];東南大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2643914