平面大角度扫描及高增益阵列研究

发布时间：2020-10-23 16:54

　　 阵列天线与单个天线相比较,具有更多的设计自由度,易于实现波束扫描、波束赋形、多波束、高增益辐射等。由于阵列结构限制和耦合等问题的影响,平面相控阵天线进行波束扫描时,扫描角度有限的问题与增益波动的问题是目前亟待解决的学术难题。随着第五代移动通信技术的研究热潮,毫米波通信成为当前研究热点。毫米波通信可显著提高数据传输率,但毫米电磁波在空间传播时损耗大、传播距离有限。如何提高毫米波天线辐射增益、效率,而拓展毫米波通信有效作用距离是亟待解决的学术难题。本学位论文以平面阵列天线为研究对象,主要针对阵列天线大角度扫描问题、扫描时主波束峰值增益波动大的问题及毫米波高增益高效率辐射问题进行研究,提出几种解决方案,将本论文主要工作总结如下:第一章回顾阵列天线的发展历史,总结目前阵列天线遇到的挑战、学术研究背景与研究意义,归纳目前实现大角度扫描相控阵的主要方法以及平面毫米波高增益阵列的典型范例,最后介绍本学位论文的创新点与主要贡献。第二章介绍寄生结构在平面微带大角度扫描相控阵天线、相控阵馈电网络中的使用。首先,设计微带偶极子1×6均匀线阵,利用寄生贴片拓展其扫描范围。以不改变阵列布局和阵列单元尺寸为条件,在天线单元间增加寄生贴片。通过改变寄生贴片尺寸与位置,调节阵元互耦作用,从而改变馈电单元有源单元方向图,明显展宽阵列俯仰角扫描范围。其次,基于寄生结构,提出了一种通过简单机械移动而改变输出信号相位的移相器设计。移相结构是在微带传输线上覆盖高介电常数、低损耗介质板,从而改变微带传输线的等效介电常数和传输常数。在不同传输线上覆盖不同尺寸的高介电常数介质板,使输出信号间具有梯度相差。利用两阶移相结构,可以使输出信号间梯度相差值能够大范围变化且具有小变化步进。设计的馈电网络具有二十五种移相状态且移相性能良好。第三章为了改善平面相控阵天线大角度扫描性能,将差分馈电方法应用于相控阵天线设计中。首先,以方向图可重构贴片天线为单元设计了平面大角度扫描相控阵。阵列单元通过在贴片天线地板上开缝而设计,利用PIN二极管控制缝隙状态,改变天线辐射方向图主波束指向,扩展天线辐射方向图在E面内的覆盖范围。由于贴片天线采用差分馈电方法,天线远场方向图可保持对称,同时保持低交叉极化。阵列可以实现大角度扫描,主波束峰值增益波动小,交叉极化小。其次,以腔体缝隙天线为单元设计了双频、平面大角度扫描相控阵。缝隙天线具有双层介质板结构,通过金属化过孔构造金属腔。缝隙辐射及差分馈电方法使天线实现低剖面。天线具有两个谐振点,辐射方向图在E面内保持宽波束覆盖且对称、低交叉极化。阵列中天线的有源单元方向图在E面内的半功率波束宽度宽。在两个谐振频率处,该阵列天线在E面内都能实现俯仰角大角度扫描。第四章将口径天线与阵列理论、阵列馈电方法相结合,构造高性能60 GHz阵列天线。展宽原口径天线的物理口径,以原辐射口径为单元,在口径面上进行组阵。利用传输线对辐射口径串联馈电,避免反相电磁场辐射,使口径天线的增益得到提升。口径面上电磁场分布变得更紧凑,天线的口径效率得到提升。并且,通过优化辐射口径的位置与尺寸、传输线尺寸,采用差分馈电的方法,毫米波天线可实现高增益、高口径效率、宽带、稳定辐射方向图、低交叉极化等。第五章总结本学位论文的主要工作、关于平面大角度扫描及高增益阵列未来研究内容与应用的展望。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN820
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
        1.1.1 发展历史
        1.1.2 研究意义
    1.2 阵列天线研究现状
        1.2.1 平面大角度扫描阵列研究进展
        1.2.2 平面高增益阵列研究进展
    1.3 研究工作的主要创新点和主要贡献
    1.4 本学位论文的章节安排
第二章 基于寄生结构实现平面微带大角度扫描相控阵
    2.1 基于寄生贴片拓展微带偶极子相控阵扫描范围
        2.1.1 引言
        2.1.2 阵列天线设计原理及模型
        2.1.3 阵列仿真与测试结果
    2.2 基于寄生介质、具有简单移相结构的低成本馈电网络
        2.2.1 引言
        2.2.2 移相原理与馈电网络结构
        2.2.3 仿真结果
    2.3 小结
第三章 差分馈电大角度扫描相控阵天线设计
    3.1 差分馈电方向图可重构贴片天线及其阵列
        3.1.1 引言
        3.1.2 天线设计与结果
        3.1.3 阵列设计与结果
    3.2 差分馈电双频段低剖面缝隙天线及其阵列
        3.2.1 引言
        3.2.2 缝隙天线设计
        3.2.3 馈电网络设计与天线集成
        3.2.4 阵列设计与结果
    3.3 小结
第四章 基于阵列理论设计平面高增益口径天线
    4.1 引言
    4.2 天线设计原理及结构
        4.2.1 工作原理
        4.2.2 辐射口径沿x方向组阵
        4.2.3 辐射口径沿y方向组阵
        4.2.4 性能分析
    4.3 天线测试
        4.3.1 天线I
        4.3.2 天线II
        4.3.3 天线性能讨论
    4.4 总结
第五章 结论与展望
    5.1 全文工作总结
    5.2 未来工作展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果

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本文编号：2853296