毫米波基片集成互补源天线及阵列的研究

发布时间：2020-04-28 22:20

【摘要】：毫米波段丰富的频谱资源可满足大容量、高速率宽带无线通信的应用需求。毫米波天线及阵列作为通信系统的关键部件,近年来已成为研究热点。互补源天线作为一类将电流和等效磁流源相结合来实现电磁辐射的天线类型,具有宽带和辐射特性稳定的性能优势,适合毫米波通信应用。然而已有毫米波互补源天线结构相对复杂,不易低成本集成化,且辐射特性与低频同类天线相比存在明显不足。本文针对毫米波互补源天线开展研究,提出了毫米波基片集成互补源天线的极化调控、增益提升、天线小型化和带宽展宽方法,设计并采用低成本印刷电路板工艺实现了多种具有宽带、多极化、增益稳定和低后向辐射特性的毫米波互补源天线及阵列。研究工作丰富了毫米波天线种类,提升了天线性能。研究结果可为第五代移动通信等应用中的毫米波天线设计提供理论与技术支撑。本文的主要创新工作如下:1.研究设计了毫米波基片集成水平极化端射磁电偶极子天线。通过采用在宽边垂直于介质基片的基片集成波导开口端加载金属贴片的方法,实现了辐射所需的垂直方向等效磁流源和水平方向电流源。为方便天线馈电,设计了基片集成90°扭转波导结构。在此基础上,设计了具有多层折合结构的小型化基片集成巴特勒矩阵波束形成网络,与传统单层结构相比,可减小45%的水平方向尺寸。将所设计天线与波束形成网络结合,实现了水平极化二维多波束天线阵列。实验结果表明,该阵列带宽为22.1%,增益达到13.1 dBi,可以实现约70°范围的波束覆盖。2.提出了毫米波基片集成圆极化端射互补源天线设计方法。通过在基片集成波导终端开口的上下宽边刻蚀反向对称缝隙,实现水平方向同相电流辐射,并与波导终端开口面上电场所形成的水平方向等效磁流结合,实现两个正交电场分量。通过改变刻蚀缝隙的结构尺寸,可调控两类源产生辐射场的幅度和相位。所设计天线具有64%阻抗带宽和51%的3 dB轴比带宽。为了进一步提升天线增益并且减小后向辐射,在天线口面前端引入平面介质棒加载结构。加载后天线的阻抗和轴比交叠带宽为41%,增益达到12dBic,方向图前后比为20dB。3.为进一步提升天线单元辐射增益,将互补源概念由点源天线设计拓展至口径天线设计中,提出了毫米波基片集成互补源平面喇叭天线。通过在H面喇叭天线的辐射口面上加载偶极子阵列,实现线状互补源辐射,天线具有44%的阻抗带宽,12 dBi的天线增益和大于10 dB的辐射前后比。采用所提出互补源喇叭天线设计了 1 × 4规模的喇叭阵列,阵列单元间距达到2.3λ0。利用相位校正技术进一步改善喇叭口面场的幅度和相位分布,从而提升单元口径效率,抑制高栅瓣电平。所设计喇叭天线阵列具有33%的带宽,增益达到14.6 dBi,且旁瓣电平基本低于-10 dB。4.研究了进一步降低毫米波基片集成端射互补源天线剖面高度的方法,基于电磁学镜像原理,提出了毫米波磁电单极子天线。通过适当增加天线底部金属层大小,可将在基片集成波导终端开口加载的电偶极子替换为单极子,同时降低基片集成波导厚度,并采用在单极子顶端加载的方法进一步降低天线高度。天线剖面高度由原有端射磁电偶极子的0.51λ0降低为磁电单极子的0.19λ0,且具有60.7%的工作带宽和稳定的辐射特性。所设计Ka频段天线可覆盖现有全部5G毫米波通信频段,且天线高度仅为1.7 mm。在此基础上进一步研究了天线在移动终端应用中面临的金属地板大小和介质天线罩对天线特性的影响,计算和实验结果可为此类天线的实际应用提供技术参考。5.为解决由基片集成波导馈电带来的波导单模工作频率范围对天线带宽的限制问题,研究设计了由工作在TEM模式的基片集成同轴线馈电的毫米波磁电偶极子天线。通过在终端开路的基片集成同轴线加载电偶极子的方法,成功激励了所需的磁电偶极子天线模式。设计了共面波导至基片集成同轴线的转接结构,方便天线馈电。该天线横向结构尺寸小,具有73.7%的工作带宽,天线方向图在宽频带内较为稳定,且交叉极化和后向辐射低。
【图文】：

馈电,平行双线,宽边,共面

渐变槽线天线是一类具有超宽带特性的行波天线，常用的渐变槽线天线包括逡逑指数渐变槽线天线和线性渐变槽线天线。由于天线的辐射场集中在渐变槽线之间，逡逑组阵时，两个天线单元之间的隔离度较高，因而适合毫米波阵列应用。文献［４９］逡逑中设计了改进型ＳＩＷ到渐变槽线的转接结构来减小天线的交叉极化，同时提高天逡逑线的带宽。文献［５０］中通过在天线的金属贴片边缘刻蚀梳状缝隙来减小表面波从而逡逑提高增益，其天线结构如图１－２邋（ａ）所示。刻蚀梳状缝隙的方法还被应用在文献［５１］逡逑中用来减小天线横向尺寸，使其能够应用在波束扫描阵列中，该结构如图１－２邋（ｂ）逡逑所示。文献［５２］将渐变槽线天线设计在空气填充的ＳＩＷ中，进一步减小了介质填逡逑充ＳＩＷ带来的介质损耗。逡逑对数周期天线属于非频变天线，也是一种超宽带天线结构。相比传统的带线逡逑或同轴结构馈电的对数周期天线，基片集成波导馈电的对数周期天线结构简单，逡逑易于集成［５３］，采用基片集成波导馈电的对数周期天线的结构如图１－３所示。文献ｔ５４Ｊ逡逑中利用加载领结型的引向器和寄生贴片来进一步提升天线增益。逡逑虽然这些毫米波基片集成端射天线具有带宽宽和增益高的优点，但是大多数逡逑

辐射方向图,喇叭天线,H面,介质透镜

逦北京交通大学博士学位论文逦逡逑单层介质内的喇１＾入天线不同，文献［６１］在嗽ＢＡ邋口面上下分别加载终端开口的平行转逡逑接结构，使得天线口面处共有三层介质，所设计天线带宽大于１０％。此外，，加脊逡逑ＳＩＷ也被应用在喇叭天线的设计当中［６２］，天线的仿真带宽达到５０％以上，但是多逡逑层的结构过于复杂，不便加工。在平面喇叭天线的设计当中，除了考虑阻抗带宽逡逑之外，在宽带范围内实现包括稳定的增益和辐射方向图、低旁瓣和高前后比在内逡逑的良好辐射特性对实际应用也十分重要。为提高平面喇叭天线的增益，研宄者们逡逑设计了不同的相位校正结构，包括金属孔阵列［６３］以及缝隙ＳＩＷ技术［６４］等，但是此逡逑类天线的带宽都不足２０％。逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN822

【参考文献】