毫米波-太赫茲圓極化天線及陣列研究.pdf

1、近年來，毫米波/太赫茲頻段在科學理論和工程應用上備受關注。毫米波/太赫茲頻段具有絕對帶寬大、波長小的特點，可用來實現(xiàn)高速/超高速無線通信、小型化高清成像雷達等。天線作為無線通信系統(tǒng)中的關鍵部件之一，對毫米波/太赫茲應用的發(fā)展起著決定性作用。另一方面，相對于線極化天線，圓極化天線在減小信道極化失配、抑制多徑干涉等方面具有顯著優(yōu)勢。面臨著高工作頻率和大工作帶寬的要求，如何有效地設計毫米波/太赫茲圓極化天線面臨諸多挑戰(zhàn)，且成為學術界和工業(yè)界的

2、研究熱點。本論文主要研究了背腔式交叉偶極子在毫米波頻段的應用、高性能圓極化毫米波天線的設計方法（分別針對寬軸比波束寬度、大軸比帶寬、低成本、高增益的特性）、太赫茲圓極化天線陣的設計方法。本論文的主要創(chuàng)新工作有：
　　1.提出了一種背腔式交叉偶極子在 Ka頻段的實現(xiàn)方法。針對交叉偶極子在毫米波頻段饋電難的問題，首次提出了集成饋電巴倫和交叉偶極子于同一介質基板的分離式交叉偶極子結構；同時，為了更好的天線電性能和機械強度，交叉偶極子放置

3、于帶有脊的圓柱腔體上；詳細分析了分離式交叉偶極子實現(xiàn)圓極化輻射機理。測試結果表明，提出的天線在Ka頻段內實現(xiàn)了30.7％的3dB軸比帶寬、13.9dBi的頻帶內最高增益、穩(wěn)定的輻射方向圖。
　　2.提出了一種具有寬軸比波束的圓極化天線的設計方法。以末端開放的橢圓波導腔作為天線輻射口徑，分析橢圓波導的兩個正交模式在口徑面上的場分布，通過近遠場變換優(yōu)化遠場圓極化輻射特性；詳細分析了波導口徑尺寸、正交模式的幅度比和相位差對軸比波束寬度的

4、影響；以交叉偶極子為該腔體天線的激勵源，通過介質集成波導寬邊的縫隙耦合饋電。在60GHz頻段，設計、加工、測試了該波導腔體天線；實驗結果表明，該天線在60GHz頻點xz和yz平面上，可分別實現(xiàn)134°和172o的3dB軸比波束寬度。
　　3.從寬軸比帶寬的角度出發(fā)，提出了一種偶極子激勵的橢圓柱背腔天線。偶極子極化方向與橢圓柱腔體的長軸有一定夾角，可激勵起橢圓柱腔體的兩個正交模式；通過優(yōu)化夾角、偶極子在腔體內高度、腔體的尺寸，實現(xiàn)具

5、有寬軸比頻帶寬度的圓極化天線。在毫米波頻段設計、加工、測試了該天線；實驗結果表明，提出的天線3dB軸比頻帶為50~62.8GHz。
　　4.從低成本、易集成的角度出發(fā)，提出了工作在60GHz頻段的一種貼片-槽偶極子圓極化天線。貼片偶極子通過 T型帶線耦合饋電，槽天線通過從貼片偶極子兩臂上分別引出的帶線直接差分饋電；同時，通過增加金屬化過孔構成的圓柱背腔抑制表面波，提高天線輻射效率。天線印制在單層介質基板上，利用傳統(tǒng)印刷電路板刻蝕技

6、術實現(xiàn)。測試結果表明，該天線在56.2~65GHz頻率范圍內實現(xiàn)了小于3dB的軸比、穩(wěn)定的輻射方向圖、良好的阻抗匹配。
　　5.從高增益的角度出發(fā)，提出了一種毫米波圓極化漏波天線。利用帶有地板的金屬帶線格柵結構實現(xiàn)漏波輻射；通過分析口徑場分布，圓極化漏波天線結構設計為阿基米德螺旋帶線，通過作為單極子的同軸探針在天線結構中心饋電；根據(jù)優(yōu)化的仿真結果，加工、測試了該天線；實驗結果表明，所提出的無需饋電網(wǎng)絡的漏波天線在60.5GHz可以

7、實現(xiàn)最高24.52dBi增益。
　　6.提出了兩種太赫茲圓極化貼片天線陣。第一種是利用金屬盲孔陣結構的準表面等離子體波導為饋線，以傾斜的矩形貼片為輻射單元，實現(xiàn)了基于準表面等離子體波導的頻率掃描太赫茲圓極化天線陣；在微波頻段，設計、加工、測試了該圓極化天線陣來驗證所提出的方法。第二種是以內嵌介質波導為饋電網(wǎng)絡的平面圓極化貼片天線陣，圓極化輻射單元為分布在內嵌介質波導槽兩側的矩形貼片和圓形貼片組成的混合貼片單元；饋電網(wǎng)絡由一分四功分