毫米波平面反射阵与透镜天线的研究

发布时间：2017-04-29 17:14

  本文关键词：毫米波平面反射阵与透镜天线的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微波毫米波反射阵与透镜天线在通信、雷达、射电天文、全息成像等领域发挥着越来越重要的作用,研究和开发具有高增益、高定向性、低剖面、平面集成的反射阵和透镜天线有着重要的理论和现实意义。传统反射面、透镜等高增益天线及其馈源多采用三维立体的结构实现,因此如何实现高增益(如高于30dBi)天线和馈源的平面小型化设计成为当前的研究热点。此外,作为独立元件的馈源、反射阵、透镜等的损耗对系统整体性能的影响较大,设计低损耗的独立元件并实现独立元件在天线系统的高效率集成是反射阵与透镜天线研究的另一个挑战性课题。本文利用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)和基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line, SICL)技术设计了一系列微波毫米波平面小型化馈源天线、转接器和滤波器等,并采用馈源与反射阵/透镜天线的协同设计,实现了多种具有较高增益和效率的平面反射阵和透镜天线。论文的主要工作如下：第一章研究了毫米波高性能平面小型化馈源的设计。提出并实现了2×2平衡馈电的SIW平面缝隙阵天线,有效地提高了阻抗带宽、天线方向图的对称性和稳定性。提出并实现了SIW背腔馈电的堆叠式贴片阵天线,其封闭性较好、天线单元互耦低且具有较宽的阻抗带宽,非常适用于下一代无线通信大规模多输入输出(Massive MIMO)的应用。提出并设计了THz硅基微机械加工(MEMS)的平面喇叭天线,采用亚波长深度的寄生缝隙加载阶梯型喇叭天线,提高了天线的增益和阻抗带宽。以上馈源天线的设计均是根据集成反射阵和透镜天线的整体性能所完成的。测试和仿真结果验证了设计方法的正确性。本章部分内容已经在国际核心期刊LEEE Trans. on AP上发表。第二章研究了毫米波平面反射阵天线的集成化设计。文中详细阐述了基于相移表面的平面反射阵的工作原理和设计基础,提出了反射阵量化相位误差的分析方法,并研究了相位误差对反射阵性能的影响。在此基础上,设计了几种高增益的毫米波折合式反射阵天线。主要内容有：利用定制的角锥喇叭作为馈源,实现了高增益、高效率的折合式反射阵天线；提出了与平面馈源一体化集成的折合式反射阵天线的概念,利用2×2的SIW平面缝隙阵取代喇叭作为馈源进一步降低了折合式反射阵天线的厚度,并采用馈源与反射阵协同设计的方法有效地提高了天线整体的性能,实验结果验证了设计方法的正确性；结合表面硅和体硅基MEMS工艺提出了一种反射阵与馈源一体化集成的THz折合式反射阵天线,仿真结果表明该天线具有良好的增益和波束特性,该方案解决了THz高增益天线的高精度平面集成的问题。本章部分内容已经在国际系列会议Int.Symp. Antennas Propag.(ISAP)上发表,并获得了ISAP’2013最佳学生论文奖。第三章研究了毫米波平面透镜天线的集成化设计。文中详细阐述了基于相移表面的平面透镜的设计方法,引入了相位误差的概念分析透镜的扫描特性,提出了超薄透镜具有更好的线性扫描特性的思想并进行了仿真验证。在此基础上,针对28GHz MIMO通信的应用需求,利用金属谐振型相移单元设计并实现了薄的双层平面透镜,提出了透镜加载的七单元阵列的平面集成结构实现了大角度、高增益的空间波束覆盖,实验结果验证了设计方法的正确性。针对45GHz长距离点对点无线通信的应用需求,提出并设计了单层介质过孔透镜加载的喇叭天线,仿真结果表明该设计在不增加喇叭厚度的前提下,有效地改善了喇叭的增益和方向性。本章部分内容投稿至IEEE Trans.on Ap。第四章研究了一种带有极化扭转功能的角反射阵。90°角反射器作为一种宽覆盖范围、高雷达散射截面(RCS)的方向回溯天线在雷达、卫星、无线功率传输等领域有着重要应用。为了提高系统的极化隔离,需要实现一种带有极化扭转特性的角反射器,但极化扭转特性并不天然的存在于任何金属表面。为此,本文提出了一种极化栅-极化扭转反射阵的结构来完成方向回溯和极化扭转的双重功能,并在25.5GHz汽车雷达的应用频段上进行了实验,验证了设计方法的正确性。本章内容投稿至IEEE　Trans.on AP。第五章研究了基于基片集成同轴线(SICL)的高性能无源器件。文中分析了基于多层印刷电路板(PCB)工艺的SICL的场模式和传播特性。分别在0-20GHz、30-50GHz、75-110GHz的频段内提出并设计实现了SICL与微带、共面波导、金属波导之间的转接器。提出了一种基于SICL技术的半波长谐振腔,利用组合SICL带通、带阻谐振腔的方法提出并实现了SICL单通带、双通带和三通带带通滤波器。实验结果表明宽带和紧缩尺寸是SICL器件的两大突出优点。SICL技术为高性能无源器件与有源器件的平面集成提供了一个新的解决方案。本章部分内容已经在Microw.Optical Techn.Lett.国际核心期刊和IEEE APMC'2014国际核心会议上发表。
【关键词】：反射阵天线 透镜天线 雷达回溯阵天线 基片集成波导 基片集成同轴线 转接器 滤波器 功分器 毫米波 太赫兹 MEMS
【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4-6
• Abstract6-11
• 绪论11-19
• §1 相关领域研究背景与现状11-13
• §2 论文的研究目标和主要内容13-15
• 参考文献15-19
• 第一章 毫米波平面小型化馈源天线19-43
• §1.1. 引言19
• §1.2. 平衡馈电基片集成波导缝隙阵列天线19-28
• §1.2.1. 缝隙辐射单元特性分析19-21
• §1.2.2. 天线子阵和馈电网络的设计21-24
• §1.2.3. 2×2基片集成波导缝隙阵天线的仿真与测试24-28
• §1.3. 基片集成波导背腔馈电的堆叠式贴片天线28-35
• §1.3.1. 研究背景28-29
• §1.3.2. 28GHz背腔馈电的堆叠式贴片天线的设计与分析29-32
• §1.3.3. 基片集成波导背腔馈电的堆叠式贴片天线的仿真与测试结果32-35
• §1.4. 基于硅基MEMS工艺的THz平面喇叭天线35-39
• §1.4.1. 研究背景35-36
• §1.4.2. 640GHz平面喇叭天线的仿真与设计36-39
• §1.5. 本章小结39-40
• 参考文献40-43
• 第二章 毫米波平面反射阵天线43-69
• §2.1. 引言43-44
• §2.2. 反射阵天线的工作原理与设计基础44-47
• §2.2.1. 平面反射阵设计的相位补偿原理44-45
• §2.2.2. 折合式反射阵天线的工作原理45-46
• §2.2.3. 焦径比(flD)对折合式反射阵增益效率的影响46-47
• §2.3. Q波段喇叭馈电的折合式反射阵天线47-52
• §2.3.1. 矩形贴片单元的相位分析48-50
• §2.3.2. 折合式反射阵天线的仿真与测试50-52
• §2.4. 与平面馈源一体化集成的折合式反射阵天线52-58
• §2.4.1. 与平面馈源一体化集成的折合式反射阵的结构52-53
• §2.4.2. 馈源与反射阵的协同设计53-54
• §2.4.3. 与平面馈源一体化集成的折合式反射阵的仿真与测试54-58
• §2.5. 基于硅基MEMS工艺的THz折合式反射阵天线58-65
• §2.5.1. 与馈源一体化集成的THz反射阵结构59-62
• §2.5.2. 硅基THz折合式反射阵的仿真结果62-65
• §2.6. 本章小结65-66
• 参考文献66-69
• 第三章 毫米波平面透镜天线69-97
• §3.1. 引言69-70
• §3.2. 平面透镜天线的设计与特性分析70-76
• §3.2.1. 基于相位补偿平面的透镜工作原理70-72
• §3.2.2. 透镜的波束扫描特性分析72-76
• §3.3. 双层耶路撒冷十字平面透镜加载的七单元空间波束形成天线76-89
• §3.3.1. 平面透镜加载的七单元空间波束形成天线的工作原理76
• §3.3.2. 相移单元的特性分析76-80
• §3.3.3.28 GHz双层平面波束扫描透镜的设计与分析80-85
• §3.3.4. 透镜加载的波束形成天线仿真与测试85-89
• §3.4. 毫米波喇叭透镜天线89-93
• §3.4.1. 相位补偿单元的选取89-91
• §3.4.2. 喇叭透镜天线的设计与仿真91-93
• §3.5. 本章小结93-95
• 参考文献95-97
• 第四章 毫米波角反射阵天线97-113
• §4.1. 引言97-98
• §4.2. 带有极化扭转特性的角反射阵天线98-105
• §4.2.1. 角反射器雷达散射截面(RCS)特性分析98-100
• §4.2.2. 带有极化扭功能的角反射阵组成结构100-103
• §4.2.3. 极化扭转表面103-104
• §4.2.4. 极化栅104-105
• §4.3. 25.5GHz雷达回溯阵天线105-110
• §4.3.1. 25.5GHz角形回溯阵天线的设计与仿真105-107
• §4.3.2. 25.5GHz角形回溯阵天线的测试107-110
• §4.4. 本章小结110-111
• 参考文献111-113
• 第五章 基于基片集成同轴线的无源元件设计113-135
• §5.1. 引言113
• §5.2. 基片集成同轴线特性分析113-116
• §5.3. 毫米波基片集成同轴线转接116-123
• §5.3.1. 研究背景116-117
• §5.3.2. SICL与微带线的转接117-118
• §5.3.3. SICL与共面波导的转接118-120
• §5.3.4. SICL与波导的转接120-123
• §5.4. 微波基片集成同轴线带通滤波器123-131
• §5.4.1. 研究背景123-124
• §5.4.2. 半波长SICL谐振腔124-125
• §5.4.3. SICL单通带滤波器的设计125-126
• §5.4.4. SICL双通带滤波器的设计126-127
• §5.4.5. SICL三通带滤波器的设计127-128
• §5.4.6. SICL带通滤波器的仿真与测试128-131
• §5.5. 本章小结131-132
• 参考文献132-135
• 结论与展望135-137
• 作者简介137-139
• 致谢139

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本文编号：335300