【摘 要】
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第五代移动通信技术（5G）旨在实现高速率、大容量、低时延和高可靠的数据传输,为用户提供更优质的网络体验。相比于6GHz以下的频段,毫米波具有大带宽、低空口时延和灵活弹性空口配置等独特优势,可满足5G对系统容量、传输速率和差异化应用等方面的需求。天线作为无线通信设备中举足轻重的射频元件,一直以来都是国内外的研究热点。因此,基于5G应用需求,本文设计并验证了三款毫米波天线。1.针对交叉偶极子天线中普遍
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第五代移动通信技术（5G）旨在实现高速率、大容量、低时延和高可靠的数据传输,为用户提供更优质的网络体验。相比于6GHz以下的频段,毫米波具有大带宽、低空口时延和灵活弹性空口配置等独特优势,可满足5G对系统容量、传输速率和差异化应用等方面的需求。天线作为无线通信设备中举足轻重的射频元件,一直以来都是国内外的研究热点。因此,基于5G应用需求,本文设计并验证了三款毫米波天线。1.针对交叉偶极子天线中普遍采用同轴电缆馈电所带来的剖面高于0.25λ0（λ0是中心频点所对应的自由空间波长）的问题,本文设计了一款基于基片集成波导（SIW）和平行双线的宽带圆极化交叉偶极子天线。振子臂采用具有宽带特性的锥型贴片并通过一对90°相移线分别为其提供了0o、90o、180o、270o的顺序旋转相位电流,以实现圆极化辐射。辐射边分别采用阶梯型和L型进一步地拓展阻抗和轴比带宽。测量结果:阻抗带宽为34.6%（22.5-31.9GHz）、轴比带宽为23.1%（24-30.25GHz）、峰值增益为8.8d Bic,辐射效率高于90%和剖面高度为0.16λ0。2.体积大和集成难是毫米波平面电路所不能接受的,也是传统螺旋天线亟待解决的问题。因此,本文设计了一款基于SIW和平行双线的宽带圆极化平面双螺旋天线。螺旋线以中心对称的方式印刷在介质板两面,由金属孔互相连接,分别提供水平极化和垂直极化的电流,从而实现圆极化辐射。通过倾斜地板上的反向电流削弱过强的水平极化电流,从而拓展了圆极化带宽。螺旋线在长度和宽度上做了渐变处理,以进一步地拓展阻抗带宽和轴比带宽。测量结果:阻抗带宽为29.3%（23.8-32.0GHz）、轴比带宽为30.4%（24-32.5GHz）、峰值增益为7.8d Bic、辐射效率高于90%且剖面高度为0.14λ0。3.宽频带、多系统共用一副天线是解决多天线所导致的功耗大、耦合严重、占用空间大的有效方案之一,本文设计了一款基于SIW的宽带菱形环天线,其带宽可覆盖整个Ka波段和部分的K和U波段。天线首先以菱形环作为辐射器,然后采用U型槽和准梯形的地板分别改善低频段和高频段的增益。最后加载准半椭圆匹配枝节用于改善阻抗匹配。测量结果:阻抗带宽为73.7%（21.0-45.5GHz）、峰值增益为10.3d Bi,3d B增益带宽为60.7%、辐射效率高于90%和剖面高度为0.16λ0。以上所设计的天线均采用PCB工艺加工,并具有带宽大、剖面低、结构简单、成本低、重量轻和易集成等特点,非常适合于5G毫米波通信系统。
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