毫米波通信系统中的端射天线关键技术研究

发布时间：2020-10-18 20:55

　　 针对毫米波无线通信系统宽频带、多功能和低成本的演进需求,本文深入研究用于各类毫米波应用的天线技术,从广义化、通用化的基础理论入手,提出了端射类宽带毫米波天线与阵列的设计理论与方法,并均通过仿真和实测验证了正确性和有效性。研究成果可以广泛应用于毫米波终端设备、基站、卫星通信等应用的天线设计中,本文的主要工作如下:1)针对毫米波圆极化天线损耗高、工作频带窄的问题,本文提出了一种新型的基于毫米波低损耗传输线矩形波导的圆极化渐变缝隙天线原型,实现了阻抗轴比综合带宽达到了34.1%。通过波导模式、电流分布,解释了该天线工作机理并给出了详细的天线设计流程;将此类圆极化渐变缝隙天线原型引入到易于集成化的板材天线设计中,提出了基于基片集成波导的圆极化渐变缝隙天线,实现了阻抗轴比综合带宽达到了34.7%;基于脊波导工作机理,提出了圆极化渐变缝隙天线原型的小型化设计方法,弥补了该类天线由于宽边尺寸过大而无法直接作阵列单元设计的缺陷,优化后的口径尺寸为0.8318λ× 0.696λ,阻抗轴比综合带宽达到了27.6%;将圆极化渐变缝隙天线引入圆极化圆波导喇叭天线的设计,提出了不需要正交模式转换器的宽带圆极化喇叭,轴比阻抗综合带宽达到40%,通过三端口模型对该喇叭天线的机理进行了解释并给出了详细的设计流程。2)针对毫米波高增益圆极化天线阵列辐射效率低、工作频带窄的问题,本文对基于板材的圆极化渐变缝隙天线结构进行改造,加载了金属夹板增大了辐射口径面积,提高了轴比阻抗与增益特性,并使用集成化设计的基片集成波导馈电网络进行馈电,最终构建了4 × 4定向端射型圆极化渐变缝隙天线阵列,阻抗轴比综合带宽覆盖了 5G E频段和W频段中的81至86 GHz和92至95 GHz,最高增益达到了 19.88 dBic,最高口径效率为80.6%;提出了基于矩形波导的圆极化隔片天线原型,天线结构简单,实现了40%的阻抗轴比带宽,基于波导模式理论,通过三端口模型对天线圆极化机理进行了分析,并对天线所有参数进行了详细的参数扫描验证,理论计算了口径场波导模式分布,通过高频仿真软件HFSS对8 × 8阵列进行仿真,验证了其作为高增益阵列单元的可行性,仿真阵列结果同样可覆盖40%阻抗轴比综合带宽,且仿真效率在工作频带内大于85.34%。3)针对毫米波多波束天线尺寸大、实现圆极化难的问题,本文将圆极化隔片天线原型引入集成化的板材天线设计,进一步压缩了口径电尺寸,展宽了 3-dB波瓣宽度与轴比波瓣宽度,提出了与辐射单元板材参数一致的4 × 4折叠型巴特勒矩阵用于馈电,并基于传输线理论,设计了巴特勒矩阵中的移相器,实现了小尺寸、宽频带、圆极化的多波束天线阵列,天线阵列电尺寸为0.77λ× 7.9λ × 12.4λ,阵列阻抗隔离带宽覆盖频率范围57.8至62.5 GHz,波束范围覆盖了±37°,最高增益可达11.01 dBic。4)针对毫米波频率波束扫描天线波束覆盖范围小、增益波动大的问题,本文提出了一种基于折叠型基片集成波导移相器的频率波束扫描天线阵列,基于电磁偶极子工作机理,设计了宽波束角的端射型电磁偶极子天线阵列单元,基于传输线理论对所提移相器的关键参数进行了理论推导,并理论计算了最终阵列天线的辐射方向图,天线阵列在频率57至63 GHz范围内,波束覆盖范围可达-18°到32°,增益波动小于2.9 dBi。上述成果已发表于国际权威期刊IEEE Journal on Selected Areas in Communications,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters以及IEEE Access,另有一项发明专利获授权。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN928
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景与研究意义
    1.2 毫米波天线与天线阵列研究现状
        1.2.1 毫米波宽带圆极化天线的研究现状
        1.2.2 毫米波宽带定向高增益圆极化天线阵列的研究现状
        1.2.3 毫米波多波束天线阵列的研究现状
        1.2.4 毫米波频率波束扫描天线阵列的研究现状
    1.3 本论文的研究内容与结构
第二章 毫米波宽带圆极化渐变缝隙天线
    2.1 引言
    2.2 基于矩形波导的圆极化渐变缝隙天线
        2.2.1 天线结构
        2.2.2 天线工作机理与参数分析
        2.2.3 仿真与实测结果
        2.2.4 小结
    2.3 基于基片集成波导的圆极化渐变缝隙天线
        2.3.1 天线结构
        2.3.2 工作机理
        2.3.3 仿真与实测结果
        2.3.4 小结
    2.4 基于矩形波导的小型化圆极化渐变缝隙天线
        2.4.1 天线结构
        2.4.2 小型化原理
        2.4.3 仿真与实测结果
        2.4.4 小结
    2.5 基于渐变缝隙的圆极化喇叭天线
        2.5.1 天线结构
        2.5.2 工作机理
        2.5.3 仿真与测试结果
        2.5.4 小结
第三章 毫米波宽带定向高增益圆极化天线阵列
    3.1 引言
    3.2 4×4圆极化渐变缝隙天线阵列
        3.2.1 天线单元结构
        3.2.2 单元工作机理与性能
        3.2.3 馈电网络
        3.2.4 仿真与测试结果
        3.2.5 小结
    3.3 圆极化隔片天线阵列
        3.3.1 天线单元结构
        3.3.2 隔片天线单元机理分析
        3.3.3 8×8隔片天线阵列性能仿真
        3.3.4 仿真与测试结果
        3.3.5 小结
第四章 毫米波紧凑型多波束圆极化隔片天线阵列
    4.1 引言
    4.2 基于折叠型巴特勒矩阵的多波束圆极化隔片天线阵列
        4.2.1 天线单元结构
        4.2.2 单元工作机理
        4.2.3 4×4折叠型巴特勒矩阵
        4.2.4 四波束端射天线阵列
        4.2.5 小结
第五章 毫米波频率波束扫描天线阵列
    5.1 引言
    5.2 基于基片集成波导移相器的频率波束扫描天线阵列
        5.2.1 基于基片集成波导移相器结构与原理
        5.2.2 天线单元
        5.2.3 频率波束扫描天线阵列
        5.2.4 仿真与实测结果
        5.2.5 小结
第六章 总结与展望
    6.1 论文主要研究内容
    6.2 创新点
    6.3 对未来研究工作的展望
参考文献
致谢
攻读学位期间取得的研究成果

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本文编号：2846801