高增益可扫描毫米波天线阵的研究与设计

发布时间：2020-07-28 10:43

【摘要】：天线是无线通信系统中的关键部件。随着无线通信系统的飞速发展,系统中所需的天线数量越来越多,波束扫描天线利用一个天线来代替多个天线,可以解决诸如多径衰落和同信道干扰的问题,被广泛应用于微波通信系统、导弹控制、卫星通信和雷达系统中。本文针对Q波段的波束扫描天线阵列展开研究,主要工作和创新点如下:第一,设计了反射系数优于-13 dB,插入损耗小于0.09 dB/mm的基片集成同轴线(SICL)。基于SICL结构设计了由3 dB定向耦合器、交叉耦合器、移相器等组成的巴特勒矩阵。在45 GHz处,4个输出端口的功率分布在-6.6±0.8 dB以内;相邻输出端口之间的相位差分别为-45°±6°、45°±6°、-135° ±11°和135° ±11°。该巴特勒矩阵实现了低损耗和特定的输出相位差,可作为天线阵列的波束形成网络。第二,设计并实现了一款耦合馈电开槽微带结构组成的波束扫描天线阵列。由辐射贴片、金属通孔和接地平面构成的背腔贴片天线单元组成1 X4串联馈电子阵列,4个子阵列排列成对称结构以降低副瓣,通过SICL巴特勒矩阵馈电实现波束扫描效果。天线阵的面积为6.3λ0× 7.1λ0,测量的阻抗带宽为21.8%;在45 GHz处,波束方向为-28.5°、-14.1°、18.4°和35.6°,分别对应的增益是13.11、13.88、14.02和11.78 dBi。测量结果与仿真结果吻合较好。第三,设计了一款结构紧凑的功分探针馈电圆贴片背腔结构组成的波束扫描天线阵列。天线子阵列由并联馈电紧凑排列的2 X 2圆形贴片和背腔组成,再将4个子阵列等距线性排列后经SICL巴特勒矩阵馈电。天线阵的面积只有6.3λ0 × 5.6λ0、,仿真的阻抗带宽为21.1%;在45 GHz处,四个波束的仿真增益为13.12至13.94 dBi,波束扫描角度为±32°。第四,设计了一款高增益、低副瓣的缝隙波束扫描天线阵列。缝隙单元由SICL上增加的一根垂直的短枝节激励,平均分布在馈线两侧形成1 ×8子阵列,4个子阵列线性排列后经SICL巴特勒矩阵馈电。由于阵间距的减小,该天线阵列与其它两款相比,副瓣分别降低了4.5 dB和4 dB,天线波束可覆盖的范围也增大至±46°。天线阵的面积为6.3λ0 × 7.6λ0,仿真的阻抗带宽为18.9%;在45 GHz处,仿真的增益在14.81至15.99 dBi之间。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN820
【图文】：

逦（２－３）逡逑其中，Ｓ＇是坡印廷矢量。逡逑如图２－１所示，通常情况下，天线的方向图有一个全局的最大值和若干个局部的最逡逑大值。全局的最大值左右两侧各有一个最小值，这两个最小值之间的方向图称为主瓣，逡逑剩余的若千个其他的局部最大值所对应的区域称为副瓣或旁瓣，半功率波瓣宽度是主瓣逡逑Ｍ人值下降一半所对应的角度，零功率波瓣宽度是主瓣最大值两边的两个零点之间的角逡逑度。天线方向图中的主瓣宽度越小，所辐射的能量就越集中，天线的定向性就越好。离逡逑生瓣Ｍ近且电平最高的第一副瓣的电平称为副瓣电平。逡逑６逡逑

另一段起到匹配天线贴片和第一段微带线阻抗的作用。馈电端口设置在介质板逡逑的侧面，连通底面的金属地和顶面的微带线。馈电的位置可以在中间或旁边，在中间的逡逑称为中心馈电，在旁边的称为偏心馈电，如图２－２所示。逡逑微带线馈电的天线只有一层介质板，具有剖面低，成本低廉的优势。但是当天线需逡逑要以阵列形式工作时，需要增加馈电网络为之馈电。此时，微带线馈电网络和天线贴片逡逑阵列都位于同一层，会占用很大的面积，会产生一定的互耦效应，对整个天线阵造成不逡逑良的影响。逡逑｜霉！■逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２－２微带线侧馈（ａ）中心馈电（ｂ）偏心馈电逡逑（２）

另一段起到匹配天线贴片和第一段微带线阻抗的作用。馈电端口设置在介质板逡逑的侧面，连通底面的金属地和顶面的微带线。馈电的位置可以在中间或旁边，在中间的逡逑称为中心馈电，在旁边的称为偏心馈电，如图２－２所示。逡逑微带线馈电的天线只有一层介质板，具有剖面低，成本低廉的优势。但是当天线需逡逑要以阵列形式工作时，需要增加馈电网络为之馈电。此时，微带线馈电网络和天线贴片逡逑阵列都位于同一层，会占用很大的面积，会产生一定的互耦效应，对整个天线阵造成不逡逑良的影响。逡逑｜霉！■逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２－２微带线侧馈（ａ）中心馈电（ｂ）偏心馈电逡逑（２）

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本文编号：2772768