【摘要】：超高速通信是當(dāng)代無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),寬帶毫米波和太赫茲無線通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)超高速通信的有效途徑。作為通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,天線也隨之向易于集成、低剖面、寬帶、高增益、低旁瓣和低交叉極化等方向發(fā)展。因此,對(duì)寬帶高性能毫米波和太赫茲天線的研究具有重要的意義。本文圍繞寬帶毫米波平面天線和寬帶高增益太赫茲天線兩個(gè)主題,開展了如下主要研究工作:一、提出并研制了一種寬帶低交叉極化毫米波平面偶極子天線。首先,通過在臂長約為1.5λ_g(λ_g是中心頻率對(duì)應(yīng)的介質(zhì)波長)偶極子上的恰當(dāng)位置刻蝕一對(duì)縫隙,使得偶極子同時(shí)工作在半波長諧振模式和1.5倍波長諧振模式,從而在不增加天線面積的同時(shí)大幅提高天線的工作帶寬。在此基礎(chǔ)上,本章提出了一種基片集成波導(dǎo)饋電的寬帶毫米波折疊偶極子天線。通過利用折疊偶極子金屬孔輻射的垂直極化電場(chǎng)和基片集成波導(dǎo)終端口徑輻射的垂直極化電場(chǎng)反相抵消的原理,在不改變介質(zhì)基片厚度的情況下,可以有效地改善該寬帶毫米波偶極子天線的交叉極化。測(cè)試結(jié)果表明,該天線在30.3-53.7GHz頻率范圍內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB,相對(duì)帶寬達(dá)到58.5%,工作頻帶內(nèi),天線的增益為5.0-6.4dBi,測(cè)試的交叉極化小于-15dB。二、提出并研制了一種寬帶毫米波水平極化全向天線。本章首先介紹了水平極化全向天線相對(duì)于垂直極化全向天線在室內(nèi)短距離無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì),以及其設(shè)計(jì)難點(diǎn)。針對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)方面的設(shè)計(jì)難點(diǎn),本章提出一個(gè)雙�；刹▽�(dǎo)(SIW)圓腔波導(dǎo)功分器,并以此為饋電網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)一種寬帶毫米波水平極化全向天線。最后,為了滿足5G毫米波通信系統(tǒng)終端天線高增益的要求,在該全向天線的一側(cè)增加一個(gè)錐形反射面,提高天線的增益,并在垂直面實(shí)現(xiàn)錐形波束輻射。測(cè)試結(jié)果顯示,天線在39GHz到49.3GHz范圍內(nèi),反射系數(shù)小于-10dB,相對(duì)帶寬約為22.9%,測(cè)試增益是4.1-5.2dBi,工作頻帶內(nèi)天線的增益波紋小于3dB,最大輻射效率93%。這部分研究成果已在國際核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.上發(fā)表。三、提出并研制了一種寬帶低剖面毫米波E形背腔貼片天線。首先,本章提出了一種基于單層PCB的E形背腔貼片天線單元。該天線單元采用共面波導(dǎo)(CPW)和金屬探針的混合饋電方式,可以同時(shí)激勵(lì)貼片的三個(gè)諧振模式,其相對(duì)阻抗帶寬約為32%。然后,基于該寬帶天線單元,利用差分饋電網(wǎng)絡(luò),本章設(shè)計(jì)了一個(gè)2×2的E形背腔貼片天線陣列。該天線陣列具有34.4%的相對(duì)帶寬,在不同的頻段具有不同的方向圖特性,特別適合應(yīng)用于同時(shí)支持近遠(yuǎn)程高速通信的Q-LINKPAN無線通信系統(tǒng)。這部分研究成果已在國際核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.上發(fā)表。四、提出并研制了一種E波段寬帶高增益平面天線陣列。首先,本章提出一種基片集成背腔貼片和金屬階梯矩形波導(dǎo)相結(jié)合的E波段寬帶天線單元,天線單元的反射系數(shù)在69-86 GHz范圍內(nèi)小于-10 dB,相對(duì)帶寬達(dá)到21.8%,工作帶寬內(nèi)天線的增益為7.9-10.3 dBi。利用該天線單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)2×2天線子陣,并在陣列單元之間沿H-面方向刻蝕深度為λ_0/4(λ_0是中心頻率的工作波長)的矩形槽。該矩形槽結(jié)構(gòu)不僅可以切割金屬表面電流,減小單元之間的互耦,還可以構(gòu)建二次輻射源,改善天線陣列的旁瓣,提高天線陣列的增益。仿真結(jié)果顯示,該2×2子陣列在70-87 GHz范圍內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB,相對(duì)帶寬21.8%,工作頻帶內(nèi)陣列的增益為14.6-17 dBi,兩個(gè)面的交叉極化均小于-40dB。最后,利用該2×2天線子陣研制了16×16高增益天線陣列。測(cè)試結(jié)果表明,該16×16天線陣列在71-88.5 GHz范圍內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB,相對(duì)帶寬為22.4%,覆蓋71-86 GHz頻段,工作帶寬內(nèi)陣列增益為28.8-30.9 dBi,兩個(gè)面的交叉極化小于-40dB,工作帶寬內(nèi)天線的輻射效率為35%-42%。該16×16天線陣列可用于E波段毫米波回傳通信系統(tǒng)。這部分研究成果已投稿至國際核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.。五、基于第四章的研究,本章提出了兩個(gè)具有反相特性的背腔貼片天線單元,并利用這兩個(gè)天線單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了16×16高增益天線陣列。和第四章的E波段16×16天線陣列相比,本章天線陣列的饋電網(wǎng)絡(luò)更簡單。最后,對(duì)該天線陣列進(jìn)行了實(shí)物加工和測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,該16×16天線陣列在40-48GHz范圍內(nèi)反射系數(shù)小于-10dB,相對(duì)帶寬為18.2%,工作帶寬內(nèi)陣列增益為28.3-31.4 dBi,E-面的交叉極化小于-40dB,H-面的交叉極化小于-25dB,工作帶寬內(nèi)天線的輻射效率為38%-48%。該天線陣列可用于毫米波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)中。這部分研究成果擬投稿國際核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.。六、提出并研制了一種基于精密機(jī)械加工工藝的寬帶高增益太赫茲準(zhǔn)平面雙反射面天線。本章以金屬鋁為材料,利用數(shù)控機(jī)床精密機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)和制備了一種準(zhǔn)平面的雙反射面天線,并在金屬腔內(nèi)側(cè)壁上刻蝕有扼流槽。雙反射面天線的主反射面和副反射面采用柱面結(jié)構(gòu),可以控制加工成本和降低加工難度;通過在側(cè)壁上刻蝕不同深度的扼流槽,有效地改善了天線的近軸旁瓣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該天線在325-500GHz頻率范圍內(nèi),反射系數(shù)小于-20dB,工作頻帶內(nèi)天線的增益為26.5-32dBi,交叉極化小于-30dB。本章提出的太赫茲準(zhǔn)平面雙反射面天線具有寬帶、高增益、低加工成本和易于裝配的特點(diǎn)。這部分研究成果已在國際核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.上發(fā)表。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN92;TN820
【圖文】：

(a) (b)圖 1-3 SIW 饋電寬帶偶極子天線結(jié)構(gòu)示意圖：（a）三維視圖，（b）俯視圖上節(jié)對(duì)不同長度偶極子電流分布和輸入阻抗的研究結(jié)果證明了偶極子天線雙模工作在理論上的可行性。本節(jié)，我們通過在長度 l=1.5λg的偶極子上恰當(dāng)位置刻蝕縫隙，提出了一種基片集成波導(dǎo)饋電，同時(shí)工作在半波長模式和 1.5 倍波長模式的寬帶毫米波偶極子天線，其結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示。該天線由一個(gè)基片集成波導(dǎo)、一段雙邊平行雙線（DSPSL）、一個(gè)刻蝕有縫隙的偶極子和一個(gè)匹配孔組成。基片集成波導(dǎo)工作在 TE 模式時(shí)，上下層金屬表面存在幅度相同相位相差 180o的表面電流，因此基片集成波導(dǎo)可以作為寬帶巴倫為偶極子天線饋電。寬度0.9mm的雙邊平行雙線的特征阻抗約為90 [39] [40]，這與該天線中基片集成波導(dǎo)的波阻抗和偶極子的輸入阻抗很接近，因此寬度 0.9mm 的雙邊平行雙線可以直接連接偶極子天線和基片集成波導(dǎo)，而不需要寬度漸變的轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)半波偶極子不同，該偶極子天線的臂長約為 1.5λg（λg是中心頻率對(duì)應(yīng)的介質(zhì)中的波長），且在靠近中間位置刻蝕有兩個(gè)寬度為 0.1mm 的縫隙。偶極子前面的匹配金屬孔用來適當(dāng)改善天線的阻抗匹配。天線的中心頻率是 45GHz，采用的介質(zhì)基片為 Rogers

(a) (b)圖 1-4 基片集成波導(dǎo)饋電 1.5λg偶極子天線工作在不同頻率時(shí)的表面電流分布：（a）35GHz，（b）50GHz(a) (b)圖 1-5 本文提出的偶極子天線工作在不同頻率時(shí)的表面電流分布：（a）35GHz，（b）50GHz在工作在 TM模式短路貼片電流為零的位置刻蝕縫隙，可以引入一個(gè)新的貼片YZOYZO

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 郝張成;基片集成波導(dǎo)技術(shù)的研究[D];東南大學(xué);2006年

2 顏力;基片集成波導(dǎo)傳輸特性及陣列天線的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D];東南大學(xué);2005年

3 張玉林;基片集成波導(dǎo)傳播特性及濾波器的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D];東南大學(xué);2005年

本文編號(hào)：2724384