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(shí)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(shí)現(xiàn)，因此如何實(shí)現(xiàn)高增益（如高于30dBi）天線和饋源的平面小型化設(shè)計(jì)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。此外，作為獨(dú)立元件的饋源、反射陣、透鏡等的損耗對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響較大，設(shè)計(jì)低損耗的獨(dú)立元件并實(shí)現(xiàn)獨(dú)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(gè)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(jì)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(jì)，實(shí)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(jì)。提出并實(shí)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(duì)稱性和穩(wěn)定性。提出并實(shí)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(jì)了THz硅基微機(jī)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(jì)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(cè)試和仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(jì)。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(jì)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(duì)反射陣性能的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)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(jì)的方法有效地提高了天線整體的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(huì)議Int.Symp.Antennas Propag.(ISAP)上發(fā)表，并獲得了ISAP'2013最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)。
　　第三章研究了毫米波平面透鏡天線的集成化設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)闡述了基于相移表面的平面透鏡的設(shè)計(jì)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(jìn)行了仿真驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)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(jì)并實(shí)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(shí)現(xiàn)了大角度、高增益的空間波束覆蓋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。針對(duì)45GHz長距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信的應(yīng)用需求，提出并設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(chǎng)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(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)了SICL單通帶、雙通帶和三通帶帶通濾波器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明寬帶和緊縮尺寸是SICL器件的兩大突出優(yōu)點(diǎn)。SIC