基于螺旋结构和加载相位延迟线的多层双频阵列设计

发布时间：2020-04-16 02:41

【摘要】：在未来5G通信中,毫米波频段因其频谱资源丰富、可用带宽较宽并可提供极高的数据传输率等优势得到成为开发应用的主流,近年来许多学者也开始致力于研究工作在毫米波频段的5G天线。在5G基站中,通常需要高增益天线来弥补高频通信在传播中的损耗。而微带平面反射阵列和透射阵列作为研制新型高增益天线的首选技术,具有结构简单、重量轻、无复杂的馈电网络、加工成本低等优点,从而引起了国内外研究学者的广泛关注。针对该技术,论文的主要研究工作重点在于降低双频反射阵和反射/透射阵之间的电磁耦合程度,使得双频独立工作,最终得到更灵活的角度可控性和高增益。本文首先系统地总结了双频反射单元利用三种不同的组合方式所进行的相位调节,即关键单元尺寸组合调节、旋转角度与单元尺寸组合调节和旋转角度与加载相位延迟线组合调节,并比较三者之间的电磁耦合消除程度,从而提出论文工作的研究思路和技术路线。基于全面的调研分析和深入的理论探索,论文围绕双频反射阵列和透射阵列重点开展了两个系列的研究工作如下:其一,设计了两款基于FSS(频率选择表面)的20/30 GHz多层双频圆极化反射阵,其中FSS采用双方形环结构。当高低频单元都采用Phoenix单元时,需要大量的仿真时间来降低单元之间的耦合。因此,这里采用了具有旋转角度可控的双C嵌套圆环作为高频单元,而将Phoenix单元、改进型Malta单元、四臂阿基米德螺旋单元分别作为低频单元,使高、低频单元之间的相移响应达到相互正交,进而使得两频段之间的电磁耦合几乎被完全消除。双频单元设计成功转化为两个单频单元设计,极大地降低了设计复杂度。最终利用具有旋转角度可控的双C嵌套圆环和改进型Malta单元的组合设计了一个口径大小为15×15的阵列,在20GHz、30GHz频点处,仿真得到的增益分别为20.38 dB、25.1 dB。此外,利用具有旋转角度可控的双C嵌套圆环和四臂阿基米德螺旋单元的组合设计了一个口径大小为18×18的阵列,在20 GHz和30 GHz频点处,增益分别为19.7dB、26.8 dB,高、低频段的1-dB增益带宽分别为15%、7.5%。其二,基于双频反射单元的相移响应正交化思想,设计了两款基于FSS的Ka/Ku波段多层圆极化反射/透射阵,口径大小均为15×15,且FSS采用镂空十字形嵌套十字贴片结构。首先将具有旋转角度可控的双C嵌套圆环高频反射单元和四层方形缝隙低频透射单元进行结合,当阵列工作在反射模式时,在19 GHz、20 GHz和21 GHz频点处,仿真得到的增益分别为22.78 dB、23.82 dB和23.07 dB,当阵列工作在透射模式时,在12.25 GHz和13.5 GHz频点处,仿真得到的增益分别为20.26 dB和18.84 dB。然后将具有旋转角度可控的双C嵌套圆环高频反射单元与四层方环内嵌对角开口交叉偶极子低频透射单元结合,当阵列工作在反射模式时,在20 GHz频点处,仿真得到的增益为23.72 dB,其1-dB增益带宽为6.25%,当阵列工作在透射模式时,在13.5 GHz频点处,仿真得到的增益为19.85 dB,1-dB增益带宽为7.4%。
【图文】：

高增益天线

，０．１邋Ｇｂｐｓ与１邋Ｇｂｐｓ之间，其中峰值传送率高达２０邋Ｇｂｐｓ，而提高速率的一个直接逡逑方法就是增加带宽，然而目前低频段的频谱资源已经非常紧张，带宽拓展有限，，逡逑因此未来的５Ｇ通信有可能向毫米波频段进行扩展。但是随着频率的增加，电磁逡逑波在传播过程中的损耗随之增大，因此，在５Ｇ基站中，需要利用高增益天线以逡逑此弥补高频通信在传播上的受限。传统的高增益天线主要有反射面天线和微带阵逡逑列天线。逡逑反射面天线基于光学理论，在抛物面的焦点上放置馈源天线，由馈源辐射的逡逑球面波经抛物面反射后变成平面波，从而实现高增益笔形波束［１］。如图Ｉ－ｌ（ａ）所逡逑示，抛物面天线具有结构简单、增益带宽理论上无限大、高效率等优点，但存在逡逑体积庞大、笨重、几何曲率需精准控制等问题，导致制作精度要求很高，当频率逡逑增加到毫米波频段甚至太赫兹频段时，ＪＬ乎难以加工，只能依靠机械转动实现波逡逑束扫描是其另一个缺点。逡逑

高增益天线,反射阵,抛物面天线,天线

图１－２早期的反射阵和透射阵天线形式逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.5

【参考文献】