微波毫米波集成天线技术研究

发布时间：2017-10-12 10:40

  本文关键词：微波毫米波集成天线技术研究

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【摘要】：随着无线通信技术的飞速发展,特别是个人移动通信技术的发展,低频无线频谱资源逐渐趋于枯竭。为实现高速宽带无线接入技术,势必需要开发高频无线频谱资源。毫米波(30-300 GHz)由于其波长短,带宽宽,干扰小等优点,可有效地解决高速宽带无线接入技术中所面临的诸多问题,受到了越来越多的关注。近几年国内外出现了基于28 GHz、60 GHz和80 GHz频段通信系统的研究热潮,国内也提出了具有自主知识产权的基于40.5-50.2 GHz频段的毫米波超高速无线通信标准Q-LINKPAN,其短距通信部分已成为国际标准IEEE 802.11aj (45 GHz)。围绕着毫米波通信系统,相关的标准与关键技术成为学术界和产业界的研究热点。本论文主要研究应用于微波毫米波通信的小型化、高性能、易于集成的天线技术。论文的主要工作包括：第一章提出了一种采用背腔结构的贴片天线,利用由金属化过孔和底层金属围成的基片集成波导(SIW)背腔结构抑制表面波,提高天线增益；同时通过控制背腔的尺寸,使得其谐振频率与顶层矩形贴片的谐振频率接近,在两个谐振频率的共同作用下展宽天线的阻抗带宽。实验结果验证了相关结论。由于这种类型天线可以采用标准PCB工艺进行加工,具有成本低,便于与后级电路集成的优点。第二章针对Q-LINKPAN远距点对点通信,提出了采用平衡式馈电的高增益SIW缝隙天线阵,并分别设计和加工了16×17阵元以及24×25阵元的平衡馈电缝隙阵。测试结果表明,两个阵列分别获得了27.5 dBi和29.2 dBi的增益。这种结构的高增益天线阵采用标准PCB工艺加工,具有成本低、平面集成的优点。同时,因为采用平衡式馈电方式,增益最大值的方向不会随频率发生变化,特别适用于远距点对点通信的需求。为了进一步提高该天线的频率选择性,减少射频前端滤波器所带来的插损,在不增加天线版图面积的基础上集成了3阶和5阶SIW腔体滤波器。经过仿真和实验证实,该方案能够有效地提高天线阵的频率选择性,并改善驻波性能。第三章提出了一种抑制共模噪声信号的平衡式SIW差分天线。利用平衡式差分SIW缝隙天线在共模激励和差模激励下电场分布位置的不同,通过设置辐射缝隙的位置,使得该差分天线在差模激励下能够有效地辐射,而在共模激励下辐射很弱,从而实现了对共模噪声信号的有效抑制。第四章提出了一种采用基片集成同轴线(SICL)激励的电磁偶极子背腔贴片天线。利用电磁偶极子的宽带,后瓣辐射小以及E面与H面方向图对称的特点,使用Ⅰ型馈电网络同时激励起电偶极子和磁偶极子,并使用金属过孔和底层金属形成背腔结构来抑制表面波从而提高天线增益。该天线│S11│-15 dB的阻抗带宽测试结果为15.1%(41.5～48.3 GHz)。在整个Q-LINKPA N频带范围内,增益大于9 dBi。为了进一步提高天线的增益,分别设计了基于此结构的采用公用背腔的2×2电磁偶极子天线阵以及采用4个独立背腔的2×2电磁偶极子天线阵。两种天线阵列分别实现了│S11│-15 dB的阻抗带宽测试结果为18.7%(40.9～49.35 GHz)以及18.4%(40.95-49.25 GHz),法向最大增益分别为14.85 dBi和14.9 dBi。在整个42～49 GHz的频率范围内,法向增益都大于14 dBi。该结构天线以及天线阵具有宽带宽,高增益,成本低以及便于集成的优点,适合于Q-LINKPAN等毫米波通信系统应用。第五章提出了一种基于电磁偶极子天线的圆极化背腔贴片天线,通过利用两对带有切角的矩形贴片和L型贴片形成具有宽带圆极化特性电磁偶极子天线。该天线测试的|S11|-15 dB的带宽为14.65%(41.7～48,3 GHz),在IEEE 802.11 aj工作频段内最大增益为8.9 dBic,最小增益为6 dBic,3 dB增益带宽为17.5%(41.5～49.5 GHz),天线法线位置的|AR|3 dB轴比带宽为15.7%(42-48 GHz)。该圆极化具有宽轴比带宽和阻抗带宽,并且在较宽的频带范围内保持辐射方向图稳定的优势,能够满足Q-LINKPAN系统的应用。第六章设计了一种带有9个寄生贴片的2×2双极化层叠结构贴片天线阵,该天线阵适用于WiMax通信系统,工作在3.55 GHz。通过采用层叠贴片结构,提高天线阵的阻抗带宽和增益带宽。为了进一步提高天线阵的带宽,在4个层叠贴片天线周围放置9个寄生贴片辐射单元。在不增加天线阵馈电网络复杂度的前提下,有效地增加了天线阵的增益带宽和增益随频率变化的平坦度,并改善了天线阵的驻波特性。经理论分析及实验验证,该结构天线阵具有低成本,高增益,宽阻抗带宽及增益带宽等优点,满足WiMax通信系统的应用。
【关键词】：毫米波通信 天线技术 宽带天线 高增益天线
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN820
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 绪论13-17
• 1.1 背景介绍与发展现状13-14
• 1.2 论文的主要工作14-16
• [参考文献]16-17
• 第1章 基片集成背腔贴片天线及阵列设计17-41
• 1.1 背景介绍17-18
• 1.2 基片集成背腔贴片天线18-24
• 1.2.1 基片集成背腔贴片天线原理分析18-20
• 1.2.2 基片集成背腔贴片天线单元20-24
• 1.3 38GHz基片集成背腔贴片天线阵列24-29
• 1.3.1 180°定向耦合器的设计25-26
• 1.3.2 对馈背腔贴片天线阵列仿真与测试26-29
• 1.4 串馈结构的基片集成背腔矩形贴片天线阵列29-34
• 1.4.1 1分4同相功分器30
• 1.4.2 180°自补偿功分移相网络30-31
• 1.4.3 串馈结构的基片集成背腔贴片天线阵列31-32
• 1.4.4 4×4串馈背腔矩形贴片天线阵32-34
• 1.5 本章小结34-37
• [参考文献]37-41
• 第2章 平衡式馈电高增益缝隙天线阵41-65
• 2.1 背景介绍41
• 2.2 基片集成波导缝隙天线设计理论41-43
• 2.2.1 波导缝隙天线阵列类型42
• 2.2.2 基片集成波导缝隙天线等效电路42-43
• 2.3 对馈缝隙天线设计原理43-45
• 2.4 交替相位梳状功分器设计45-46
• 2.5 平衡式馈电高增益SIW缝隙天线阵46-48
• 2.6 16×17平衡式馈电缝隙天线阵48-54
• 2.6.1 1×17平衡式馈电缝隙天线阵48-50
• 2.6.2 16×17平衡式馈电缝隙天线阵50-51
• 2.6.3 16×17平衡式馈电缝隙天线阵测试结果51-54
• 2.7 带有频率选择特性的24×25平衡式馈电缝隙天线阵54-61
• 2.8 本章小结61-62
• [参考文献]62-65
• 第3章 抑制共模噪声差分缝隙天线阵65-81
• 3.1 背景介绍65
• 3.2 抑制共模噪声的差模天线理论65-66
• 3.3 抑制共模噪声信号SIW差分馈电缝隙天线66-69
• 3.3.1 抑制共模噪声原理66-67
• 3.3.2 SIW差分馈电天线等效电路67-69
• 3.4 6×6抑制共模信号的SIW差分馈电天线69-76
• 3.4.1 1×6 SIW差分激励天线69-71
• 3.4.2 6×6抑制共模信号差分激励天线71-73
• 3.4.3 带有180°相移的功分器73-74
• 3.4.4 测试结果74-76
• 3.5 本章小结76-78
• [参考文献]78-81
• 第4章 电磁偶极子背腔贴片天线81-103
• 4.1 背景介绍与发展现状81
• 4.2 电磁偶极子背腔贴片天线的工作原理81-82
• 4.3 采用SICL激励的电磁偶极子背腔贴片天线82-89
• 4.3.1 电磁偶极子背腔贴片天线结构82-83
• 4.3.2 电磁偶极子背腔贴片天线原理分析83-84
• 4.3.3 电磁偶极子背腔贴片天线参数分析84-86
• 4.3.4 电磁偶极子背腔天线测试结果86-89
• 4.4 采用公用背腔的2×2电磁偶极子贴片天线阵列89-94
• 4.4.1 一个公共背腔的2×2电磁偶极子贴片天线阵列89-90
• 4.4.2 带有±90°移相的功分器90-91
• 4.4.3 采用公用背腔的2×2电磁偶极子贴片天线阵列91-92
• 4.4.4 采用公用背腔的2×2电磁偶极子贴片天线阵列测试结果92-94
• 4.5 采用4个独立背腔的2×2电磁偶极子贴片天线阵列94-98
• 4.5.1 4个独立背腔的2×2电磁偶极子贴片天线阵列94-95
• 4.5.2 采用4个独立背腔的2×2电磁偶极子贴片天线阵列95-96
• 4.5.3 采用4个独立背腔的2×2电磁偶极子贴片天线阵列测试结果96-98
• 4.6 本章小结98-99
• [参考文献]99-103
• 第5章 圆极化电磁偶极子背腔贴片天线103-115
• 5.1 背景介绍与发展现状103-104
• 5.2 采用SICL激励的圆极化电磁偶极子背腔贴片天线104-111
• 5.2.1 圆极化电磁偶极子背腔贴片天线结构104-105
• 5.2.2 圆极化电磁偶极子背腔贴片天线原理分析105-106
• 5.2.3 圆极化电磁偶极子背腔贴片天线参数分析106-109
• 5.2.4 圆极化电磁偶极子背腔贴片天线测试结果109-111
• 5.3 本章小结111-112
• [参考文献]112-115
• 第6章 低剖面双极化层叠贴片天线115-131
• 6.1 背景介绍与发展现状115-116
• 6.2 双极化层叠贴片天线阵116-122
• 6.2.1 采用探针激励的贴片天线原理分析116-118
• 6.2.2 双极化层叠贴片天线阵118-122
• 6.3 带有寄生单元的双极化层叠贴片天线阵122-126
• 6.3.1 采用金属立柱支持的带有寄生贴片的双极化层叠贴片天线阵122-124
• 6.3.2 采用塑料立柱支持的带有寄生贴片的双极化层叠贴片天线阵124-126
• 6.4 本章小结126-128
• [参考文献]128-131
• 结论与展望131-133
• 作者介绍133-135
• 致谢135

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