摘要
毫米波天线结构在卫星通信、生物医疗等领域应用广泛，而随着5G毫米波通信频段的确定，有更多的学者投入了毫米波天线的研究。基片集成空腔波导(ESIW)具有低成本、低介质损耗的优势，是设计低成本毫米波天线结构的一个可行思路。此外，高次模腔体可以替代馈电网络，减少天线馈电部分的能量损耗，并降低天线的加工难度。 本文主要针对工作于5G毫米波的n257(26.5GHz～29.5GHz)与n258(24.25GHz～27.5GHz)频段的ESIW高次模天线阵列展开研究，主要研究内容与创新点如下: 1.提出了一款ESIW混合高次模毫米波双极化缝隙天线阵列。通过十字缝隙与正交排布的波导末端的高次模电场结合，来实现两个正交极化之间的高隔离度，并在馈电腔体内激励由谐振频率不同的TE140、TE340等特征模式组成的混合电场模式，利用不同特征模式谐振频率的不同来实现天线子阵阻抗带宽的拓宽，保证了工作频段内天线增益的稳定。在此基础上，通过对天线阵列中子阵的相对位置的调整，实现了阵列方向图的栅瓣抑制。对低栅瓣双极化天线结构进行了加工测试，结果显示天线阵列在两个极化方向上的重叠阻抗带宽为22.5％(23.59GHz～29.58GHz),两个极化方向上的最大测试增益可以分别达到20dBi与20.2dBi，且工作频率范围内增益分布平稳，证明了天线结构在24.25GHz～29.5GHz的频率范围内可以满足双极化辐射需求。 2.提出了一款ESIW混合高次模毫米波圆极化天线阵列。采用了缝隙与椭圆形腔体作为圆极化辐射结构，并激励混合电场模式来实现天线子阵阻抗带宽的拓宽与增益的稳定，并利用顺序旋转馈电网络为多个子阵进行幅度相等且相位差为90度的馈电，使天线阵列的轴比带宽与阻抗带宽得到了大幅拓宽。仿真结果显示，天线阵列的阻抗与轴比的重叠带宽为18.2％(24.5GHz～29.4GHz),最高增益为21.4dBic,重叠带宽范围内阵列增益变化不超过3dB,满足工作频段内的圆极化辐射需求。 3.提出了一款ESIW混合高次模自顺序旋转毫米波圆极化天线阵列。使用不等长的十字缝隙在馈电腔体内激励相互正交且相位相差90度，且模式随频率变化而变化的高次模电场，为腔体上方旋转排布的圆极化辐射单元进行馈电，实现圆极化子阵的自顺序旋转，拓宽了圆极化子阵的轴比带宽，并利用不同模式谐振频率的不同实现天线子阵阻抗带宽的提升。在此基础上，将子阵与顺序旋转馈电网络结合形成自顺序旋转圆极化阵列。对自顺序旋转圆极化天线结构进行了测试,结果显示天线阵列的阻抗与轴比重叠带宽为24.9％(23.04GHz～29.6GHz)，最大增益为19.1dBic,且工作频率范围内增益分布平稳，证明了天线结构在24.25GHz～29.5GHz的频率范围内可以满足圆极化辐射需求，以及自顺序旋转技术对于圆极化天线的轴比带宽的提升作用。
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