5G毫米波阵列天线设计

发布时间：2020-10-26 19:46

　　 第五代移动通信系统离正式商用越来越接近,面向5G的大规模MIMO天线系统在其中扮演着重要的作用。毫米波段因为其波长较短,频带宽、在雾、雪、尘埃等中有良好的传播等特性,使其器件尺寸小,波束宽度窄,具有高分辨率和精度,能够降低地面多径效应和杂波回波水平,提高跟踪低仰角目标的能力,能够消除来自波束方向以外的干扰,提高天线的增益,降低对发射机峰值和平均功率的要求。由于在毫米波的源、波导、元器件以及天线等方面又有长足的发展,所以毫米波的研究在5G通信以及雷达、制导、遥感技术和射电天文学方面都有重大的意义。在频谱资源十分紧张的未来通信领域,双极化天线,或者最终具有双极化效果的天线阵列组合就具有十分广阔的应用前景,它可以实现频率复用,使通信容量增加一倍。雷达系统和通信的其他领域中也常常需要双极化天线。本文主要研究了用于5G通信的毫米波阵列天线,通过设计极化方向垂直的天线阵列,综合实现双极化天线的效果,兼具毫米波段和双极化天线的优点,在即将实现的5G通信系统中,将具有良好研究前景和应用价值。论文主要工作如下:(1)设计了一种用于5G通信的水平极化毫米波微带阵列天线,采用偏移馈电,多层PCB板结构,将辐射贴片与接地共面波导馈线分布于两面,通过金属化过孔连接,组成8X16微带阵列天线,利用高频电磁仿真软件对该阵列天线进行了仿真优化,结果表明,天线在Ka波段实现了工作带宽大于2GHz(S11-lOdB),增益达到26dB,通过控制馈电相位,能够实现波束在水平面±60度内扫描。对单元和子阵进行了加工测试,结果基本达到预期。(2)设计了垂直极化的毫米波微带阵列天线,采用耦合馈电结构,多层PCB板结构,射频端口通过底层的接地共面波导连接带状线,通过缝隙耦合到表面微带贴片,组成2×16微带阵列天线,仿真结果表明,天线在Ka波段实现了工作带宽大于2GHz。(3)设计了一款毫米波频段并联馈电天线阵列,利用T型二路微带功率分配器,进行六级级联形成馈电网络,对64个辐射单元进行等幅同相馈电,并且通过非辐射边馈电,形成垂直方向线极化的辐射方向图。并进行了加工测试,实测在33.8GHz-36.2GHz之间实现了S11-10dB,在中心频点35GHz处的增益为24.4dB,达到设计要求。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN828.6
【部分图文】：

??图２－１微带馈电窄缝天线??图２－２表示的是窄缝天线的等效串联图，输入阻抗由两部分组成，辐射电阻Ｒ和电抗元件Ｘ。??当缝隙谐振在所需要的频率上时，天线的输入阻抗的电抗部分就是０，对于介电常数低的基板而言，??偏心馈电缝隙的谐振长度在０．４和０．５个波长之间，而且还和介质材料、缝隙宽度和馈电点位置有关??［１８］。??Ｔ??ｒｈ?７?ｔ??！辐射缝ＩＳ?Ｉ?！??ｊ?Ｉ?Ｒ?Ｘ?１??［－：：：：：半??屮?！?！??Ｔ??（ａ）?（ｂ）??图２－２窄缝天线的等效电路图（ａ）矩形窄缝结构（ｂ）等效电路图??Ｎａｋａｏｋａ等人已经给出了对于微带缝隙天线在任何馈电点位置下的辐射电阻的详细计算公式［１９］。??假设缝隙以终端开路微带线为激励并且缝上电流分布为／〇〇?＝冈，天线的辐射电阻可表示为??４Ｓｎ２?ｃ〇ｓｊ；（ｘ?＋?Ｄ）ｄｘ｜??Ｒ?＝?（２．１５）??㈤卜善崎）１??２?ｆＰＷｍ＼２??２?ｖ?４?／??其中，Ｌ是缝隙长度；Ｄ是偏心距离，指的是微带馈线中心到缝隙中心的距离，如图２．３??所示；Ｗｓ是缝隙宽度ＷＳ《ＡＱ；?Ｗｍ是导带宽度；Ｐ是傅里叶变换的变量；Ｒ是在微带线上测得??的电阻值。??Ｄ／Ｌ增大，辐射电阻减小。当Ｄ／Ｌ?２?０．５时，缝隙的谐振长度可以写成：??Ｌ?＝?＾?－?２?厶?Ｚ?（２．１７）??其中，４是缝隙中的波长，２?Ａ?Ｚ是由于缝隙边缘电流不为零而引入的等效缝隙长度增量。??１２??

图２－３缝隙结构示意图??接下来我们来讨论缝隙天线的辐射方向图，假设缝隙横向电场值已明确，那么缝隙天线的辐射??场就可以用电矢量位法来计算。图２．３中天线结构（Ｄ＝０）的远场分量可写为：??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，它可以用缝隙电场来表示：??Ｍ（＾，ｙ）?＝?Ｅ（ｘ，ｙ）?ｘ?ｎ?＝?Ｅｙｘ?＋?Ｅｘｙ?（２．２０）??当缝宽相对于自由空间波长很小时，即。对于一阶近似情况，缝隙的横向电场可认为是??恒定不变的。见图，如果仏＝０并且＆?＝?￡〇，式（２－２０）和（２－２１）可简化为：??．ｊｋ０Ｅ０ＩＭｓｅ－＾ｒｓｉｎＸ?？?—、??Ｅ０?＝——???—ｓｉｎ（ｐ?（２－２１）??．ｊｋ０Ｅ０ＬＷｓｅ－＿ｓｉｎＸ?＾??Ｅａｙ?＝???—?ｃｏｓ（ｐｃｏｓ０?（２．２２）??ｖ?４７ｔ?ｒ?Ｘ??其中，Ｘ?＝?＾?ｓｉｎ０ｃｏｓ＜ｐ??应用公式??Ｒ＾）?＝?｜Ｅｅ｜２?＋?｜Ｅｊ２?＝?（＾＾）?（２－２３）??ＲＨ（０）?＝?｜Ｅｅ｜２?＋?

选择的是偏移馈电。中间边馈式就是我们最常见的微带馈电方式，微带贴片天线的馈电边是辐射边??（即贴片的宽边）；而在偏移边馈式微带贴片天线中，能量是从非辐射边（即贴片的长边）馈电。如??图３－１所不：??／?＾?介质板??图３－１偏移边馈式微带天线单元的结构图??根据参考文献，可知偏移边馈方式中，电场沿着非辐射边呈正弦分布，所以改变微带线在非辐??射边馈电的位置，可以改变输入阻抗［２ｎ］。因此可以通过改变非辐射边馈电点的偏移量来优化阻抗匹??配。在非辐射边的偏移边馈可以很大幅度地调节微带天线的输入阻抗的值。而且可以看出，偏移边??馈对于谐振频率几乎不会造成影响，不会造成谐振频率的偏移。当然，通过改变辐射边的长度，也??可以调节输入阻抗。从文献中还可以看出，当馈线在或者靠近非辐射边的中心处时，天线的输入阻??抗几乎为零。??最终设计的水平线极化阵列需要水平有±６０°的扫描范围，而垂直方向只需要±３０°的扫描范围。??考虑到在这个频段单元的尺寸，馈电端口之间的距离很紧凑。所以设计将垂直方向两个贴片通过非??辖射边馈电连接在一起
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 郭华;崔琳;焦亚萌;张晓丹;;基于非线性最小二乘法的阵列天线综合[J];信息通信;2019年02期

2 蔺占中;路志勇;;多组阵列天线相位校准方法[J];无线电通信技术;2017年02期

3 罗昕瑜;;浅谈有源阵列天线技术的应用[J];数码世界;2016年12期

4 张玉洪,保铮;最佳非均匀间隔稀布阵列的研究[J];电子学报;1989年04期

5 张玉洪,保铮;对称指数间隔稀布阵列的研究[J];西安电子科技大学学报;1989年Z1期

6 E.Levine;祝雷;;圆柱体上的印刷振子阵列天线[J];遥测遥控;1989年02期

7 R.S.Elliot;W.R.O'Joughlin;黄漪;;考虑内部互耦裂缝阵列天线的设计[J];现代雷达;1989年06期

8 顾源源;;基于5G大规模阵列天线的传输协议之空口协议[J];通讯世界;2017年10期

9 邵晓龙;杨薛军;李丽娴;林鑫;陈冬宇;;一种低剖面带状线结构的一体化阵列天线设计[J];无线电工程;2017年08期

10 王欣;刘庆想;;L波段高功率线极化径向线阵列天线优化设计[J];电波科学学报;2009年04期

相关博士学位论文 前10条

1 徐艳红;新体制频率分集阵列天线距离/角度域波束研究[D];西安电子科技大学;2017年

2 张翀;折叠式反射阵列天线关键技术研究[D];西北工业大学;2016年

3 姚阿敏;时间调制阵列天线的研究[D];南京理工大学;2017年

4 刘熠;全向天线与单脉冲阵列天线的研究[D];西安电子科技大学;2018年

5 郭华;阵列天线综合及子阵列划分的研究[D];西北工业大学;2015年

6 刘广;新型高效率传输阵列天线研究[D];中国科学院国家空间科学中心;2016年

7 崔金辉;超低副瓣阵列天线互耦及幅相误差影响的研究[D];哈尔滨工程大学;2004年

8 杨林;阵列天线综合方法研究[D];哈尔滨工程大学;2006年

9 王韬;基于阵列天线的空中目标搜索与跟踪[D];重庆大学;2006年

10 韩春晖;宽带微带反射阵列天线研究[D];中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心);2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 周晓雨;汽车防撞雷达阵列天线的研究与设计[D];杭州电子科技大学;2018年

2 马誉尧;无线通信涡旋电磁波阵列天线研究[D];浙江工业大学;2017年

3 廖雪;毫米波雷达平板阵列天线的研究与设计[D];西北大学;2018年

4 宋为佳;近场赋形阵列天线的优化设计[D];南京信息工程大学;2018年

5 李高原;基于阵列天线结构优化的自适应抗干扰研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

6 焦天奇;EBG（电磁带隙）在阵列天线降耦合中的应用及研究[D];哈尔滨工程大学;2018年

7 牛月太;基于涡旋电磁波的微带阵列天线研究[D];宁夏大学;2018年

8 席国法;无线通信系统中OAM电磁涡旋波的阵列天线接收方法研究[D];宁夏大学;2018年

9 杨奇德;基于稀疏重建方法的稀疏阵列天线综合[D];南京理工大学;2018年

10 滑亚腾;一种小型化Ku/Ka双频微带阵列天线设计[D];南京理工大学;2018年

本文编号：2857446