用于毫米波无线通信的天线设计与研究

发布时间：2017-10-09 18:40

  本文关键词：用于毫米波无线通信的天线设计与研究

  更多相关文章： 基片集成波导 波束切换 毫米波通信 巴特勒矩阵 缝隙阵列天线

【摘要】：近些年来,随着无线移动通信技术的不断发展,人们对高速通信技术已经迫切需求,因此千兆无线通信的技术成为未来发展的必然。而毫米波通信技术由于其具有很宽的宽带正成为各国研究人员的研究热点。经过研究人员多年的研究,ECMA(European Computer Manufacturers Association)已经制定了一些通信标准,诸如IEEE 802.15.3c,WiGig(Wireless Gigabit)等。最近新兴的短距离通信802.11ac协议,通信速度最高可达到1.3 Gbps/s,因此IEEE组织把60GHz频段制定为802.11ad标准。在本文中我们主要对中心频率为60GHz的多吉比特无线室内通信系统的天线组件进行研究。由于60GHz频段容易产生高的传输损耗,不利于高速数据通信,因此我们希望采用高增益的定向天线实现点对点通信,实现极窄波束通信,提高传输速率。多波束切换系统可以通过切换发射波束的方向,从而实现高增益窄波束空分功能,用低旁瓣抑制不利因素的干扰。利用普通平面结构在毫米波频段设计器件,会存在高辐射损耗,表面波损耗等,金属波导又存在体积大,不易于实现系统结构集成化的缺点,而采用基片集成波导技术设计毫米波器件,同时具有普通平面结构和金属波导结构的优点,诸如小尺寸、加工费用低、损耗小、功率容量大等特点。利用基片集成波导技术设计的60GHz四波束切换组件,该组件由巴特勒矩阵和缝隙阵列天线组成,其中巴特勒矩阵是通过切换输入端口,实现相邻输出端口的相位差改变,从而改变缝隙阵列天线馈电相位,完成波束切换,实现窄波束通信,提高系统容量,为未来的全自适应毫米波智能天线系统提供了一个可能的硬件解决方向。其中巴特勒矩阵由4个3db耦合器(耦合度-3.1dB,直通端与耦合度相位差90°),2个-45°移相器(插入损耗-0.06dB,输出相位-44°),2个交叉耦合器(耦合度-0.3dB,耦合端输出相位0°),2个0°移相器(插入损耗-0.2dB,输出相位0°)组成;缝隙阵列天线采用泰勒综合法进行设计,实现高增益低旁瓣性能。利用高频电磁场仿真软件CST(Computer Simulation Technology)对所有器件进行模拟仿真,最终实现±38°的四波束切换效果,经过与公式验证,与公式计算基本相符,毫米波天线波束切换组件可以实现较好的性能指标。
【关键词】：基片集成波导 波束切换 毫米波通信 巴特勒矩阵 缝隙阵列天线
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN828
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-13
• 1.1 研究背景和意义10-11
• 1.2 基片集成波导技术的产生与研究应用11-12
• 1.3 论文主要研究内容12-13
• 第二章 基片集成波导器件的理论设计基础13-30
• 2.1 基片集成波导的传输模型13-14
• 2.2 金属矩形波导的特性14-16
• 2.3 基片集成波导结构与介质填充矩形波导模型的等效性16-24
• 2.3.1 基片集成波导结构的工作模式16-17
• 2.3.2 基片集成波导结构与矩形波导模型的等效宽度理论推导17-21
• 2.3.3 基片集成波导结构与矩形波导模型的等效宽度的经验公式21-23
• 2.3.4 基片集成波导结构与矩形波导模型传播特性比较23-24
• 2.4 基片集成波导——微带线转换结构设计24-29
• 2.4.1 基片集成波导——微带线转换结构设计原理24-28
• 2.4.2 基片集成波导——微带线锥形渐变线过渡结构设计28-29
• 2.5 小结29-30
• 第三章 基片集成波导结构的巴特勒矩阵设计30-54
• 3.1 基片集成波导定向耦合器设计31-41
• 3.1.1 定向耦合器的实际应用31
• 3.1.2 定向耦合器的理论分析31-34
• 3.1.3 定向耦合器的技术指标34-36
• 3.1.4 SIW 3dB定向耦合器设计36-39
• 3.1.5 SIW交叉耦合器设计39-41
• 3.2 基片集成波导移相器设计41-50
• 3.2.1 移相器基本概念与应用41-42
• 3.2.2 移相器基本原理42-43
• 3.2.3 移相器的分类43-45
• 3.2.4 微波移相器技术指标45-46
• 3.2.5 基片集成波导移相器设计46-50
• 3.3 基片集成波导巴特勒矩阵总体设计50-53
• 3.4 小结53-54
• 第四章 基片集成波导缝隙阵列天线设计54-68
• 4.1 基片集成波导缝隙54-56
• 4.2 缝隙阵列天线的分类56-57
• 4.2.1 谐振式缝隙阵56
• 4.2.2 非谐振式缝隙阵56-57
• 4.3 基片集成波导缝隙特性分析方法57-58
• 4.3.1 Stevenson法57
• 4.3.2 等效模型分析57-58
• 4.4 基片集成波导缝隙的电参数58-61
• 4.5 阵列天线综合方法61-64
• 4.5.1 切比雪夫综合法61-62
• 4.5.2 泰勒综合法62-63
• 4.5.3 谐振式波导缝隙阵的设计63-64
• 4.6 谐振式基片集成波导缝隙阵列天线的设计64-67
• 4.7 小结67-68
• 第五章 基片集成波导波束切换组件仿真68-72
• 5.1 基片集成波导波束切换组件仿真与验证68-71
• 5.2 总结71-72
• 第六章 总结与展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-80
• 附录80

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本文编号：1001810