毫米波平面端射天线技术的研究

发布时间：2020-08-12 18:00

【摘要】：随着无线通信技术的迅速发展,低频段的微波频谱资源日趋拥挤,各种应用之间的干扰问题越来越严重,使得无线通信系统逐渐朝着高频段、尤其是毫米波频段发展。很多国家已经投入大量的人力财力在毫米波通信上,其中45GHz由于其独特的优势获得了中国乃至世界的重要关注。随着第四代移动通信技术完成部署和日渐成熟,第五代移动通信的开发和探索备受关注。各个国家也逐渐发布了第五代移动通信在毫米波频段的频率规划,毫米波频段在无线通信中的地位将越来越重要。本文根据毫米波频段对天线小型化、宽频带、高增益、易集成等的要求,研究分析了毫米波平面端射天线的性能改善方法,并设计实现了三种高性能的平面端射天线。具体来看,本文的研究可以概述为以下四个方面。(1)分析总结了毫米波平面端射天线的研究背景和发展现状,对研究所涉及的天线理论和基片集成波导理论进行了简单的梳理和总结,为论文后续的研究奠定了理论基础。(2)增强对数周期天线方向性的研究。在对对数周期天线理论和工作原理分析的基础上,从两方面提出增强对数周期天线方向性的方法:一方面,根据八木天线和蝶形天线原理,在对数周期天线的辐射方向上加载蝶形引向单元,通过引向单元和对数周期单元之间的耦合作用以及引向单元在天线辐射方向对天线辐射能量的引导作用,来增强天线方向性。另一方面在不改变天线整体体积的情况下,通过增大天线的辐射口径来提高天线增益。本文提出在对数周期天线的引向单元的左右两侧加载与引向单元相同结构和尺寸的寄生贴片,与引向单元构成类似阵列的结构,来增大天线的辐射口径,达到增强对数周期天线方向性的目的。根据提出的改进方法,设计和仿真了新型的宽频带印刷对数周期天线,验证了提出方法的有效性。并根据仿真模型制作加工了天线实物并进行了测试,测试结果和仿真结果吻合良好,所设计的天线具有良好的性能。(3)扩展准八木天线带宽的研究。通过分析八木天线的结构和工作原理,根据八木天线的组成结构,从三个方面提出扩展经典准八木天线带宽的方法。首先从准八木天线的馈电结构入手,选择宽带馈电结构。通过比较各种馈电结构,分析各种馈电结构的特点和适合使用的场合,选择了带宽很宽、尺寸很小且在毫米波频段内损耗很小的接地共面波导作为准八木天线的馈电结构。其次通过采用更宽带宽的蝶形对称振子代替原来的平面对称振子作为准八木天线的有源振子来提高准八木天线带宽,并对平衡双线与蝶形振子连接处和蝶形有源振子末端进行圆角化,在天线整体体积不改变的情况下,扩展了准八木天线的带宽。为了进一步扩展天线带宽,使用宽带双谐振有源振子,通过增加有源振子的谐振频率个数,来扩展天线带宽。最后通过改进引向器的结构,加强引向器和有源振子之间的耦合,并反过来影响有源振子的电流分布,从而扩展天线带宽。为了验证本文提出的方法的有效性,设计和仿真相应的宽频带准八木天线,并进行加工测试,仿真和实测结果一致性较好,证明了本文提出的改进准八木天线带宽的方法的有效性,所设计的宽频带准八木天线也表现出良好的性能。(4)增强渐变槽线天线方向性的研究。首先分析了渐变槽线天线的结构和工作原理,根据其结构特点,从三个方面提出了增强渐变槽线天线方向性的方法。第一,根据印刷对数周期天线和多有源振子宽频带准八木天线的原理,提出在不增加天线体积的情况下,将渐变槽线天线辐射贴片的外边缘改为和对数周期天线一样的长度按照一个比例系数变化的对称振子。在不同的频段,不同长度的振子会发生谐振,天线在辐射方向的方向性就会因此增强。第二,通过在辐射贴片顶端蚀刻竖直矩形槽来引导更多的能量到辐射方向上,从而增强天线方向性。第三,渐变槽线天线和对数周期天线、准八木天线一样都是端射天线,因此,根据八木天线原理,通过在天线辐射方向加载引向器来提高天线方向性。为了验证所提出的方案的有效性,本文设计和仿真了相应的高增益对跖指数渐变槽线天线,并进行了加工和测试,仿真和测试结果一致性良好,天线表现出了良好的阻抗匹配特性和辐射特性,从而证明了本文提出的改进渐变槽线天线方向性的方法的有效性。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN822
【图文】：

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第一章绪论5图1.3 加载球面透镜的印刷对数周期天线及其增益曲线[76]图1.4 加载引向器的印刷对数周期天线及其增益曲线[77]1.2.2 八木天线国内外研究现状日本东北大学的八木秀次和宇田太郎[78]共同发明了八木-宇田天线，也称之为八木天线，由有源振子、反射器和引向器三部分构成，其结构示意图如图 1.5。图1.5 八木-宇田天线结构示意图

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