宽带毫米波平面天线与太赫兹天线的研究

发布时间：2020-06-21 17:14

【摘要】：超高速通信是当代无线通信技术的发展趋势,宽带毫米波和太赫兹无线通信技术是实现超高速通信的有效途径。作为通信系统中的关键部件,天线也随之向易于集成、低剖面、宽带、高增益、低旁瓣和低交叉极化等方向发展。因此,对宽带高性能毫米波和太赫兹天线的研究具有重要的意义。本文围绕宽带毫米波平面天线和宽带高增益太赫兹天线两个主题,开展了如下主要研究工作:一、提出并研制了一种宽带低交叉极化毫米波平面偶极子天线。首先,通过在臂长约为1.5λ_g(λ_g是中心频率对应的介质波长)偶极子上的恰当位置刻蚀一对缝隙,使得偶极子同时工作在半波长谐振模式和1.5倍波长谐振模式,从而在不增加天线面积的同时大幅提高天线的工作带宽。在此基础上,本章提出了一种基片集成波导馈电的宽带毫米波折叠偶极子天线。通过利用折叠偶极子金属孔辐射的垂直极化电场和基片集成波导终端口径辐射的垂直极化电场反相抵消的原理,在不改变介质基片厚度的情况下,可以有效地改善该宽带毫米波偶极子天线的交叉极化。测试结果表明,该天线在30.3-53.7GHz频率范围内反射系数小于-10dB,相对带宽达到58.5%,工作频带内,天线的增益为5.0-6.4dBi,测试的交叉极化小于-15dB。二、提出并研制了一种宽带毫米波水平极化全向天线。本章首先介绍了水平极化全向天线相对于垂直极化全向天线在室内短距离无线通信系统中应用的优势,以及其设计难点。针对馈电网络方面的设计难点,本章提出一个双模基片集成波导(SIW)圆腔波导功分器,并以此为馈电网络,设计一种宽带毫米波水平极化全向天线。最后,为了满足5G毫米波通信系统终端天线高增益的要求,在该全向天线的一侧增加一个锥形反射面,提高天线的增益,并在垂直面实现锥形波束辐射。测试结果显示,天线在39GHz到49.3GHz范围内,反射系数小于-10dB,相对带宽约为22.9%,测试增益是4.1-5.2dBi,工作频带内天线的增益波纹小于3dB,最大辐射效率93%。这部分研究成果已在国际核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.上发表。三、提出并研制了一种宽带低剖面毫米波E形背腔贴片天线。首先,本章提出了一种基于单层PCB的E形背腔贴片天线单元。该天线单元采用共面波导(CPW)和金属探针的混合馈电方式,可以同时激励贴片的三个谐振模式,其相对阻抗带宽约为32%。然后,基于该宽带天线单元,利用差分馈电网络,本章设计了一个2×2的E形背腔贴片天线阵列。该天线阵列具有34.4%的相对带宽,在不同的频段具有不同的方向图特性,特别适合应用于同时支持近远程高速通信的Q-LINKPAN无线通信系统。这部分研究成果已在国际核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.上发表。四、提出并研制了一种E波段宽带高增益平面天线阵列。首先,本章提出一种基片集成背腔贴片和金属阶梯矩形波导相结合的E波段宽带天线单元,天线单元的反射系数在69-86 GHz范围内小于-10 dB,相对带宽达到21.8%,工作带宽内天线的增益为7.9-10.3 dBi。利用该天线单元设计实现了一个2×2天线子阵,并在阵列单元之间沿H-面方向刻蚀深度为λ_0/4(λ_0是中心频率的工作波长)的矩形槽。该矩形槽结构不仅可以切割金属表面电流,减小单元之间的互耦,还可以构建二次辐射源,改善天线阵列的旁瓣,提高天线阵列的增益。仿真结果显示,该2×2子阵列在70-87 GHz范围内反射系数小于-10dB,相对带宽21.8%,工作频带内阵列的增益为14.6-17 dBi,两个面的交叉极化均小于-40dB。最后,利用该2×2天线子阵研制了16×16高增益天线阵列。测试结果表明,该16×16天线阵列在71-88.5 GHz范围内反射系数小于-10dB,相对带宽为22.4%,覆盖71-86 GHz频段,工作带宽内阵列增益为28.8-30.9 dBi,两个面的交叉极化小于-40dB,工作带宽内天线的辐射效率为35%-42%。该16×16天线阵列可用于E波段毫米波回传通信系统。这部分研究成果已投稿至国际核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.。五、基于第四章的研究,本章提出了两个具有反相特性的背腔贴片天线单元,并利用这两个天线单元设计实现了16×16高增益天线阵列。和第四章的E波段16×16天线阵列相比,本章天线阵列的馈电网络更简单。最后,对该天线阵列进行了实物加工和测试。测试结果表明,该16×16天线阵列在40-48GHz范围内反射系数小于-10dB,相对带宽为18.2%,工作带宽内阵列增益为28.3-31.4 dBi,E-面的交叉极化小于-40dB,H-面的交叉极化小于-25dB,工作带宽内天线的辐射效率为38%-48%。该天线阵列可用于毫米波点对点无线通信系统中。这部分研究成果拟投稿国际核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.。六、提出并研制了一种基于精密机械加工工艺的宽带高增益太赫兹准平面双反射面天线。本章以金属铝为材料,利用数控机床精密机加工工艺设计和制备了一种准平面的双反射面天线,并在金属腔内侧壁上刻蚀有扼流槽。双反射面天线的主反射面和副反射面采用柱面结构,可以控制加工成本和降低加工难度;通过在侧壁上刻蚀不同深度的扼流槽,有效地改善了天线的近轴旁瓣。实验结果表明,该天线在325-500GHz频率范围内,反射系数小于-20dB,工作频带内天线的增益为26.5-32dBi,交叉极化小于-30dB。本章提出的太赫兹准平面双反射面天线具有宽带、高增益、低加工成本和易于装配的特点。这部分研究成果已在国际核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.上发表。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92;TN820
【图文】：

偶极子天线,馈电,宽带,俯视图

(a) (b)图 1-3 SIW 馈电宽带偶极子天线结构示意图：（a）三维视图，（b）俯视图上节对不同长度偶极子电流分布和输入阻抗的研究结果证明了偶极子天线双模工作在理论上的可行性。本节，我们通过在长度 l=1.5λg的偶极子上恰当位置刻蚀缝隙，提出了一种基片集成波导馈电，同时工作在半波长模式和 1.5 倍波长模式的宽带毫米波偶极子天线，其结构如图 1-3 所示。该天线由一个基片集成波导、一段双边平行双线（DSPSL）、一个刻蚀有缝隙的偶极子和一个匹配孔组成。基片集成波导工作在 TE 模式时，上下层金属表面存在幅度相同相位相差 180o的表面电流，因此基片集成波导可以作为宽带巴伦为偶极子天线馈电。宽度0.9mm的双边平行双线的特征阻抗约为90 [39] [40]，这与该天线中基片集成波导的波阻抗和偶极子的输入阻抗很接近，因此宽度 0.9mm 的双边平行双线可以直接连接偶极子天线和基片集成波导，而不需要宽度渐变的转接结构。与传统半波偶极子不同，该偶极子天线的臂长约为 1.5λg（λg是中心频率对应的介质中的波长），且在靠近中间位置刻蚀有两个宽度为 0.1mm 的缝隙。偶极子前面的匹配金属孔用来适当改善天线的阻抗匹配。天线的中心频率是 45GHz，采用的介质基片为 Rogers

偶极子天线,表面电流,馈电,基片

(a) (b)图 1-4 基片集成波导馈电 1.5λg偶极子天线工作在不同频率时的表面电流分布：（a）35GHz，（b）50GHz(a) (b)图 1-5 本文提出的偶极子天线工作在不同频率时的表面电流分布：（a）35GHz，（b）50GHz在工作在 TM模式短路贴片电流为零的位置刻蚀缝隙，可以引入一个新的贴片YZOYZO

【参考文献】