摘要
毫米波由于其较宽的带宽、较高的空间分辨力、较小的尺寸易于小型化以及较强的穿透能力可全天候工作等优点,在通信、遥感、雷达和射电天文等领域有着大量的应用.近年来,随着第五代移动通信等现代毫米波通信技术的快速发展,作为通信系统中的关键部件,具有高增益、宽带、低剖面、多波束和高效率等性能的天线,成为了新一代移动通信的研究热点. 毫米波技术虽然在现代通信系统中拥有极大的优势,但是由于受大气衰减和吸收的影响,其较大的路径损耗却不容忽视.因此,在现代通信系统的应用中,具有高增益特性的天线阵列是首要选择.此外,毫米波容易受外界干扰,且单个波束的覆盖范围较小,针对高数据率卫星通信技术、局部点对多点通信以及毫米波成像等应用存在一定的局限性.具有波束扫描能力的高增益微带阵列天线,由于其可以增强天线的抗干扰能力,扩大波束的覆盖范围,可以较好的解决上述问题.但是,传统的平面微带阵列天线馈电网络设计较复杂,插入损耗较大,同时也难以实现较宽的工作带宽.平面空馈阵列天线作为一种兼具微带阵列天线平面化、低成本和传统透镜天线高增益等特性的新型天线,具有馈电网络设计简单、制作成本低、易于与其他系统集成等优点,给无线通信系统中天线的设计带来了新的思路.但是,平面空馈阵列天线普遍面临两个较为严重的问题,一个是较窄的增益带宽,一个是较高的剖面,这在很大程度上限制了平面空馈阵列天线在现代通信系统中的应用.此外,针对位置变化较快的移动目标,仅能接收相同线极化的电磁波信号就有一定的局限性.因此,对接收天线位置不敏感,且具有抗干扰特性,能够适应恶劣环境的圆极化空馈阵列天线,也具有很高的研究价值.本论文从现代毫米波无线通信系统对天线的高增益、宽增益带宽、波束扫描、低剖面和高效率等性能需求出发,围绕平面微带阵列天线及两大类平面空馈阵列天线,即反射阵列天线和透射阵列天线,开展了深入的研究工作.本论文的主体内容概括如下: 1.紧凑型多波束毫米波微带阵列天线研究:首次提出方形折叠4×8巴特勒矩阵的拓扑结构,利用基于SIW技术的跨层功分器,拓展了巴特勒矩阵的输出端口为八端口,并且大大缩短了巴特勒矩阵的纵向尺寸.在此基础上,利用缝隙耦合馈电的方法,将该4×8巴特勒矩阵作为微带贴片阵列天线的馈电网络,实现了具有高增益,结构紧凑和对称辐射特性的多波束天线. 2.宽带低剖面平面空馈阵列天线研究:提出宽带且具有线性相位响应的空馈阵列天线单元,为实现宽带空馈阵列天线奠定了基础.进一步提出具备极化扭转或极化选择功能的宽带空馈阵列天线单元,结合具有特定极化功能的极化转换器,实现了传播路径的折叠,降低了宽带空馈阵列天线的剖面. a)基于可调相极化扭转超表面的宽带低剖面毫米波反射阵列天线:利用超表面单元的宽带谐振特性,结合差分馈电的方式,提出一种宽带双极化超表面谐振单元和宽带极化选择性超表面谐振单元;分别利用其在宽带范围内双极化隔离度高的特性和极化选择特性,将其应用于折叠反射阵列天线中,设计新型的宽带折叠反射阵列天线单元.在此基础上,结合真延迟线做相位补偿,设计出具有较宽阻抗带宽和?1dB增益带宽的阵列.相比传统的贴片型折叠反射阵列天线,该天线馈源与阵面之间的剖面降低一半,且?1dB增益带宽由约5%提高到20.2%. b)基于线转圆极化转换器的宽带折叠圆极化反射阵列天线:提出一种在线极化馈源的基础上,实现与传统线极化折叠反射阵列天线相同剖面的圆极化反射阵列天线的工作机理和天线架构.基于该天线架构,分别设计具备极化扭转功能的宽带反射阵列单元和具备极化选择特性的宽带线转圆极化转换器,将其应用于宽带低剖面圆极化反射阵列天线的设计中,并结合真延迟线做相位补偿,设计出新型宽带折叠圆极化反射阵列天线.相比于其他低剖面圆极化天线,该天线具有较好的圆极化辐射性能,且获得23.1%的?2dB增益带宽和23%的3dB轴比带宽. c)基于射线追踪原理的宽带多折叠毫米波透射阵列天线:提出基于超表面天线的宽带透射阵列天线单元,将其与缝隙耦合差分馈电的带状线相结合,在较宽的频段范围内,实现了较好的透射性能和超过360°的相位调节范围,以及线性的相位响应.将其应用于透射阵列天线的设计中,实现了宽带的透射阵列天线.此外,提出一种改进型透射阵列单元,其具有极化选择特性,对不同极化的入射波具有不同的反射和透射响应.在此基础上,结合宽带极化扭转反射表面,利用射线追踪原理,设计出一种宽带低剖面的毫米波透射阵列天线,其在具有较宽的增益带宽的同时,剖面可以降低为传统透射阵列天线的三分之一.
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