毫米波平面反射陣與透鏡天線的研究.pdf

1、微波毫米波反射陣與透鏡天線在通信、雷達(dá)、射電天文、全息成像等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，研究和開發(fā)具有高增益、高定向性、低剖面、平面集成的反射陣和透鏡天線有著重要的理論和現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)反射面、透鏡等高增益天線及其饋源多采用三維立體的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，因此如何實現(xiàn)高增益（如高于30dBi）天線和饋源的平面小型化設(shè)計成為當(dāng)前的研究熱點。此外，作為獨立元件的饋源、反射陣、透鏡等的損耗對系統(tǒng)整體性能的影響較大，設(shè)計低損耗的獨立元件并實現(xiàn)獨立元件在天線系

2、統(tǒng)的高效率集成是反射陣與透鏡天線研究的另一個挑戰(zhàn)性課題。本文利用基片集成波導(dǎo)(SubstrateIntegrated Waveguide，SIW)和基片集成同軸線（Substrate Integrated Coaxial Line，SICL）技術(shù)設(shè)計了一系列微波毫米波平面小型化饋源天線、轉(zhuǎn)接器和濾波器等，并采用饋源與反射陣/透鏡天線的協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了多種具有較高增益和效率的平面反射陣和透鏡天線。論文的主要工作如下:
　　第一章研究

3、了毫米波高性能平面小型化饋源的設(shè)計。提出并實現(xiàn)了2×2平衡饋電的SIW平面縫隙陣天線，有效地提高了阻抗帶寬、天線方向圖的對稱性和穩(wěn)定性。提出并實現(xiàn)了SIW背腔饋電的堆疊式貼片陣天線，其封閉性較好、天線單元互耦低且具有較寬的阻抗帶寬，非常適用于下一代無線通信大規(guī)模多輸入輸出(Massive MIMO)的應(yīng)用。提出并設(shè)計了THz硅基微機械加工(MEMS)的平面喇叭天線，采用亞波長深度的寄生縫隙加載階梯型喇叭天線，提高了天線的增益和阻抗帶寬。

4、以上饋源天線的設(shè)計均是根據(jù)集成反射陣和透鏡天線的整體性能所完成的。測試和仿真結(jié)果驗證了設(shè)計方法的正確性。本章部分內(nèi)容已經(jīng)在國際核心期刊IEEE Trans.on AP上發(fā)表。
　　第二章研究了毫米波平面反射陣天線的集成化設(shè)計。文中詳細(xì)闡述了基于相移表面的平面反射陣的工作原理和設(shè)計基礎(chǔ)，提出了反射陣量化相位誤差的分析方法，并研究了相位誤差對反射陣性能的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了幾種高增益的毫米波折合式反射陣天線。主要內(nèi)容有:利用定制的

5、角錐喇叭作為饋源，實現(xiàn)了高增益、高效率的折合式反射陣天線;提出了與平面饋源一體化集成的折合式反射陣天線的概念，利用2×2的SIW平面縫隙陣取代喇叭作為饋源進一步降低了折合式反射陣天線的厚度，并采用饋源與反射陣協(xié)同設(shè)計的方法有效地提高了天線整體的性能，實驗結(jié)果驗證了設(shè)計方法的正確性;結(jié)合表面硅和體硅基MEMS工藝提出了一種反射陣與饋源一體化集成的THz折合式反射陣天線，仿真結(jié)果表明該天線具有良好的增益和波束特性，該方案解決了THz高增益天

6、線的高精度平面集成的問題。本章部分內(nèi)容已經(jīng)在國際系列會議Int.Symp.Antennas Propag.(ISAP)上發(fā)表，并獲得了ISAP'2013最佳學(xué)生論文獎。
　　第三章研究了毫米波平面透鏡天線的集成化設(shè)計。文中詳細(xì)闡述了基于相移表面的平面透鏡的設(shè)計方法，引入了相位誤差的概念分析透鏡的掃描特性，提出了超薄透鏡具有更好的線性掃描特性的思想并進行了仿真驗證。在此基礎(chǔ)上，針對28GHz MIMO通信的應(yīng)用需求，利用金屬諧振型相

7、移單元設(shè)計并實現(xiàn)了薄的雙層平面透鏡，提出了透鏡加載的七單元陣列的平面集成結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了大角度、高增益的空間波束覆蓋，實驗結(jié)果驗證了設(shè)計方法的正確性。針對45GHz長距離點對點無線通信的應(yīng)用需求，提出并設(shè)計了單層介質(zhì)過孔透鏡加載的喇叭天線，仿真結(jié)果表明該設(shè)計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。本章部分內(nèi)容投稿至IEEE Trans.on AP。
　　第四章研究了一種帶有極化扭轉(zhuǎn)功能的角反射陣。90°角反射器作為一種

8、寬覆蓋范圍、高雷達(dá)散射截面(RCS)的方向回溯天線在雷達(dá)、衛(wèi)星、無線功率傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著重要應(yīng)用。為了提高系統(tǒng)的極化隔離，需要實現(xiàn)一種帶有極化扭轉(zhuǎn)特性的角反射器，但極化扭轉(zhuǎn)特性并不天然的存在于任何金屬表面。為此，本文提出了一種極化柵-極化扭轉(zhuǎn)反射陣的結(jié)構(gòu)來完成方向回溯和極化扭轉(zhuǎn)的雙重功能，并在25.5GHz汽車?yán)走_(dá)的應(yīng)用頻段上進行了實驗，驗證了設(shè)計方法的正確性。本章內(nèi)容投稿至IEEE Trans.on AP。
　　第五章研究了基于基

9、片集成同軸線(SICL)的高性能無源器件。文中分析了基于多層印刷電路板(PCB)工藝的SICL的場模式和傳播特性。分別在0-20GHz、30-50GHz、75-110GHz的頻段內(nèi)提出并設(shè)計實現(xiàn)了SICL與微帶、共面波導(dǎo)、金屬波導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)接器。提出了一種基于SICL技術(shù)的半波長諧振腔，利用組合SICL帶通、帶阻諧振腔的方法提出并實現(xiàn)了SICL單通帶、雙通帶和三通帶帶通濾波器。實驗結(jié)果表明寬帶和緊縮尺寸是SICL器件的兩大突出優(yōu)點。SIC