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高增益天线是现代无线通信系统中不可或缺的关键部件，且被广泛应用于雷达探测、射电天文、高分辨率成像、超高速无线通信等场景中。由于馈电形式简单、剖面低和制作成本低廉等显著优点，高增益平面空馈天线阵列自上世纪末以来便成为天线领域的一大重要研究分支。根据辐射波束的指向，平面空馈天线阵列可分为反射式和透射式天线阵列。当前，在高频段实现宽带、高增益的平面空馈天线阵列仍然存在若干瓶颈问题，尤其是工作于太赫兹频段。因此，研究毫米波、太赫兹频段的高性能平面空馈天线阵列具有重要的现实意义。本文围绕“毫米波太赫兹高效高增益平面反射阵与透射阵”这一主题，开展了深入的研究并取得了如下进展：
(1)基于低温共烧陶瓷（LTCC）工艺，提出并研制了一种工作于140 GHz频段的高增益平面透射阵。首先，基于接收—移相—再辐射的工作原理，本文提出了一种紧凑型宽带透射式移相单元。该移相单元为矩形结构，由一对接收/辐射天线单元和移相结构组成。其中，接收/辐射天线单元采用了宽带电磁偶极子天线，移相结构采用了缝隙耦合基片集成波导（SIW）传输线。通过改变 SIW 传输线的长度，在工作频带内获得了超过360度的移相范围。为验证该透射式移相单元，本文基于几何光学原理设计并制备了由1280个移相单元构成的大口径平面透射阵天线。实验结果表明，该透射阵天线样品在工作频带内的最大增益为33.45 dBi，对应的口径效率为44.03%，3-dB增益带宽为124-158 GHz。最后，通过全波仿真分析了测试与仿真之间增益误差的原因。相关研究成果已在国际核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表。
(2)基于印刷电路板（PCB）工艺，提出并研制了两种工作于Q波段的宽带毫米波反射阵。第一款反射阵天线利用了开路反射式延迟线工作原理。该移相单元由辐射天线单元和移相结构两个部分组成。其中，辐射天线为SIW背腔E型贴片天线，而相位控制结构由长度可变的开路基片集成同轴线（SICL）构成。相比于传统的SIW传输结构与微带延迟线，SICL 传输线在毫米波频段具有非色散、低损耗等优点，在带内不同工作频率下获得了近乎平行的相位响应曲线，保证了单元的宽带响应特性。测试结果表明该天线带内峰值增益为32.83 dBi，1-dB增益带宽为12.94%（39.5-45 GHz）。另外，本文又提出了一种基于单层多谐振单元的微带反射阵天线，其结构与形式相对简单。反射式移相单元包含一个正方形环和耶路撒冷十字结构，同样实现了超过360度的相位变化范围。测试结果表明，该天线辐射性能优良，带内最大增益为28.2 dBi。相关研究成果已在国际核心期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters和2017年全国微波毫米波会议上发表。
(3)基于光刻（Lithography）工艺，提出并研制了工作于太赫兹频段的反射阵及折叠反射阵。首先，本文使用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统提取了石英玻璃和Taconic TLY-5板材在太赫兹频段的介电常数和损耗角正切。在此基础上，提出了一种G波段多谐振反射式移相单元，并设计了口径为 43.2 毫米的偏馈反射阵进行验证。测试结果表 明，该反射阵的带内峰值增益为33.2 dBi，对应的口径效率为32.5%。为降低反射阵天线整体剖面，本文继续提出了一款工作于 400 GHz 频段的高增益折叠反射阵天线。为同时实现相位补偿和极化扭转特性，本文提出了一种反射式双极化单元，由耶路撒冷十字和一个方形开口环构成。经过加工、组装和测试，该天线在400 GHz处的增益为33.66 dBi，对应的口径效率为33.65%。相关研究成果已在国际核心期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter和IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology上发表。
(4) 提出并研制了工作于毫米波和太赫兹频段的艾里波束产生器。首先，提出了一种可以同时调制空间交叉极化波幅度和相位的单层超表面单元，并通过拟合一维艾里函数的幅度和相位分布，在毫米波频段实现了一维艾里波束。为了克服单层超表面透射效率较低的问题，本文基于折叠反射式结构在太赫兹频段提出了一种傅里叶变换型二维艾里波束产生方法，在主反射阵上同时实现了立方相位分布和傅里叶透镜相位分布，从而有效降低了系统剖面，在传播方向上实现了高效率的艾里波束。实验结果表明，该折叠反射式结构可以产生二维艾里波束，并验证了其横向加速和自我修复等特殊性质。相关研究成果已在国际会议IEEE Asia-Pacific Microwave Conference 2018和核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表。
(5) 提出并研制了一种平面圆极化方向回溯反射器。首先，基于极化隔离原理，使用圆极化波能有效解决反射信号对回溯信号的干扰问题。其次，本文提出了一种宽带圆极化天线单元，天线单元之间采用了低色散和低损耗的SICL互连传输线，改变传输线的长度可以控制其相位特性。最后，本文在K波段设计并加工了16 ? 2的一维无源自回溯天线阵列。测试结果与仿真结果基本吻合，回溯性能测试带宽为24.85-25.45 GHz，带内扫描角度不小于?30 度。相关研究成果已在国际核心期刊 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters上发表。
(1)基于低温共烧陶瓷（LTCC）工艺，提出并研制了一种工作于140 GHz频段的高增益平面透射阵。首先，基于接收—移相—再辐射的工作原理，本文提出了一种紧凑型宽带透射式移相单元。该移相单元为矩形结构，由一对接收/辐射天线单元和移相结构组成。其中，接收/辐射天线单元采用了宽带电磁偶极子天线，移相结构采用了缝隙耦合基片集成波导（SIW）传输线。通过改变 SIW 传输线的长度，在工作频带内获得了超过360度的移相范围。为验证该透射式移相单元，本文基于几何光学原理设计并制备了由1280个移相单元构成的大口径平面透射阵天线。实验结果表明，该透射阵天线样品在工作频带内的最大增益为33.45 dBi，对应的口径效率为44.03%，3-dB增益带宽为124-158 GHz。最后，通过全波仿真分析了测试与仿真之间增益误差的原因。相关研究成果已在国际核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表。
(2)基于印刷电路板（PCB）工艺，提出并研制了两种工作于Q波段的宽带毫米波反射阵。第一款反射阵天线利用了开路反射式延迟线工作原理。该移相单元由辐射天线单元和移相结构两个部分组成。其中，辐射天线为SIW背腔E型贴片天线，而相位控制结构由长度可变的开路基片集成同轴线（SICL）构成。相比于传统的SIW传输结构与微带延迟线，SICL 传输线在毫米波频段具有非色散、低损耗等优点，在带内不同工作频率下获得了近乎平行的相位响应曲线，保证了单元的宽带响应特性。测试结果表明该天线带内峰值增益为32.83 dBi，1-dB增益带宽为12.94%（39.5-45 GHz）。另外，本文又提出了一种基于单层多谐振单元的微带反射阵天线，其结构与形式相对简单。反射式移相单元包含一个正方形环和耶路撒冷十字结构，同样实现了超过360度的相位变化范围。测试结果表明，该天线辐射性能优良，带内最大增益为28.2 dBi。相关研究成果已在国际核心期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters和2017年全国微波毫米波会议上发表。
(3)基于光刻（Lithography）工艺，提出并研制了工作于太赫兹频段的反射阵及折叠反射阵。首先，本文使用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统提取了石英玻璃和Taconic TLY-5板材在太赫兹频段的介电常数和损耗角正切。在此基础上，提出了一种G波段多谐振反射式移相单元，并设计了口径为 43.2 毫米的偏馈反射阵进行验证。测试结果表 明，该反射阵的带内峰值增益为33.2 dBi，对应的口径效率为32.5%。为降低反射阵天线整体剖面，本文继续提出了一款工作于 400 GHz 频段的高增益折叠反射阵天线。为同时实现相位补偿和极化扭转特性，本文提出了一种反射式双极化单元，由耶路撒冷十字和一个方形开口环构成。经过加工、组装和测试，该天线在400 GHz处的增益为33.66 dBi，对应的口径效率为33.65%。相关研究成果已在国际核心期刊IEEE Antennas and Wireless Propagation Letter和IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology上发表。
(4) 提出并研制了工作于毫米波和太赫兹频段的艾里波束产生器。首先，提出了一种可以同时调制空间交叉极化波幅度和相位的单层超表面单元，并通过拟合一维艾里函数的幅度和相位分布，在毫米波频段实现了一维艾里波束。为了克服单层超表面透射效率较低的问题，本文基于折叠反射式结构在太赫兹频段提出了一种傅里叶变换型二维艾里波束产生方法，在主反射阵上同时实现了立方相位分布和傅里叶透镜相位分布，从而有效降低了系统剖面，在传播方向上实现了高效率的艾里波束。实验结果表明，该折叠反射式结构可以产生二维艾里波束，并验证了其横向加速和自我修复等特殊性质。相关研究成果已在国际会议IEEE Asia-Pacific Microwave Conference 2018和核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表。
(5) 提出并研制了一种平面圆极化方向回溯反射器。首先，基于极化隔离原理，使用圆极化波能有效解决反射信号对回溯信号的干扰问题。其次，本文提出了一种宽带圆极化天线单元，天线单元之间采用了低色散和低损耗的SICL互连传输线，改变传输线的长度可以控制其相位特性。最后，本文在K波段设计并加工了16 ? 2的一维无源自回溯天线阵列。测试结果与仿真结果基本吻合，回溯性能测试带宽为24.85-25.45 GHz，带内扫描角度不小于?30 度。相关研究成果已在国际核心期刊 IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters上发表。