论文部分内容阅读
5G通信技术正在向毫米波频段发展，毫米波天线和MIMO阵列的研究已经成为当前热点之一。5G 无线通信系统对天线提出了更高的要求，一个性能优越的天线的具体表征为高增益、小型化、低副瓣、方便加工等。平面天线以其低剖面的结构特性，便于加工制造以及易与其他设备集成，因此在5G毫米波通信系统中应用广泛。本文针对毫米波 MIMO 系统中渐变缝隙(TSA)阵列天线、圆柱形龙伯(Luneburg)透镜天线和28/38GHz双频贴片天线进行了深入的研究，主要研究工作内容和创新点如下：
(1)提出了一种紧凑型 TSA阵列天线。采用对TSA单元的渐变长度梳状齿的加载设计，拓展表面电流长度，减小天线的宽度，优化阻抗特性。此外，合理设计梳状齿的尺寸，梳状齿上表面电流相互叠加，天线口面的相位分布更平坦，能够提升天线远场辐射特性。利用紧凑型的基片集成波导(SIW)一分八功分器，结合TSA天线的结构特性，采用相邻两个TSA单元的辐射叶倒置设计的方式，有效减小了TSA阵列天线的尺寸。设计的紧凑型TSA阵列天线实测S11<-10dB的带宽达到38.2-46.2GHz。相对传统的一分八功分器馈电的TSA阵列天线而言，其尺寸减小约71%。研究成果已经在国际会议2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting (APS&URSI)以及国际会议IEEE 7th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP) Conference上发表，并已申请国家发明专利。
(2) 提出二阶感性窗加载调整SIW传输线相位的方法，并用该方法设计了一种基于二阶感性窗的 TSA 阵列天线。通过分析二阶感性窗的等效电路模型，结合二端口网络的研究方法，提出利用二阶感性窗可以调节 SIW 传输线的输出相位的思路。加载二阶感性窗可以调节紧凑型 SIW 一分八功分器的输出相位。根据阵列综合的理论，二阶感性窗的加载可以优化紧凑型 TSA 阵列天线边频处的增益和副瓣电平。加载感性窗后的TSA阵列天线S11<-10dB的带宽为38.9-44.5GHz，在目标频段40.5-43.5GHz内，加载感性窗后阵列天线的增益均高于13.4dBi，副瓣电平比未加载时降低了3.2-8.6dB，而天线的尺寸仅增加了4mm。研究成果已经在国际核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表，并已申请国家发明专利。
(3) 提出了一种圆柱形 Luneburg透镜加载金属网格的方法，并用该方法设计了E面汇聚的圆柱形Luneburg透镜天线。对于E面汇聚的圆柱形Luneburg透镜天线，E面电磁波通过多层介质的折射实现汇聚效果，而对于 H 面，传统的平行金属板加载材料不再适用。本文提出在圆柱体两侧加载金属网格的方法，改变 H 面磁场相位分布，从而降低天线 H 面副瓣电平，减小波束宽度，提高天线增益。此外，分别通过机械加工和3D打印的Luneburg透镜天线制作方式对提出的加载金属网格的方法进行实验验证。以机械加工的天线为例，在天线的H面，26GHz时加载后的天线HPBW为34.2°，比未加载时减小12.3°，H面的副瓣电平为-15.1dB，比未加载时降低7.6dB。这部分内容的研究成果已经在国际核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation、国际核心期刊International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering和国际会议IEEE 2019 11th International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT)上发表，并已申请国家发明专利。
(4) 提出了一种新型28/38GHz双频贴片天线，通过SIW传输线上的耦合缝隙对一对印刷在上层介质板上的金属臂馈电，两个金属臂上分别加载一个短路金属柱，金属臂天线工作在 38GHz，两个臂上表面电流方向相同，在远场叠加，形成辐射；28GHz 的天线采用短路金属柱加载的微带贴片结构，通过加载一对短路金属柱实现天线感性加载。将28GHz微带天线和38GHz金属臂天线结合在一起。由于在两个频率工作时天线参与辐射的表面电流区域完全不同，因此该双频天线的两个工作频率相关性很小，可以实现天线两个工作频率的独立调整，适合5G毫米波MIMO通信不同频率的应用。设计的双频天线，两个分隔开的S11<-10 dB的带宽分别为27.7-28.7 GHz和36.8-40.2 GHz，相对带宽分别为3.8%和9.0%，增益在28GHz时为8.4dBi，在38GHz时为6.1dBi。这部分研究成果已经分别在国际会议 2020 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation&USNC/URSI National Radio Science Meeting (APS&URSI)上投稿和在国际核心期刊IEEE Access上发表。
(1)提出了一种紧凑型 TSA阵列天线。采用对TSA单元的渐变长度梳状齿的加载设计，拓展表面电流长度，减小天线的宽度，优化阻抗特性。此外，合理设计梳状齿的尺寸，梳状齿上表面电流相互叠加，天线口面的相位分布更平坦，能够提升天线远场辐射特性。利用紧凑型的基片集成波导(SIW)一分八功分器，结合TSA天线的结构特性，采用相邻两个TSA单元的辐射叶倒置设计的方式，有效减小了TSA阵列天线的尺寸。设计的紧凑型TSA阵列天线实测S11<-10dB的带宽达到38.2-46.2GHz。相对传统的一分八功分器馈电的TSA阵列天线而言，其尺寸减小约71%。研究成果已经在国际会议2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting (APS&URSI)以及国际会议IEEE 7th Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation (APCAP) Conference上发表，并已申请国家发明专利。
(2) 提出二阶感性窗加载调整SIW传输线相位的方法，并用该方法设计了一种基于二阶感性窗的 TSA 阵列天线。通过分析二阶感性窗的等效电路模型，结合二端口网络的研究方法，提出利用二阶感性窗可以调节 SIW 传输线的输出相位的思路。加载二阶感性窗可以调节紧凑型 SIW 一分八功分器的输出相位。根据阵列综合的理论，二阶感性窗的加载可以优化紧凑型 TSA 阵列天线边频处的增益和副瓣电平。加载感性窗后的TSA阵列天线S11<-10dB的带宽为38.9-44.5GHz，在目标频段40.5-43.5GHz内，加载感性窗后阵列天线的增益均高于13.4dBi，副瓣电平比未加载时降低了3.2-8.6dB，而天线的尺寸仅增加了4mm。研究成果已经在国际核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表，并已申请国家发明专利。
(3) 提出了一种圆柱形 Luneburg透镜加载金属网格的方法，并用该方法设计了E面汇聚的圆柱形Luneburg透镜天线。对于E面汇聚的圆柱形Luneburg透镜天线，E面电磁波通过多层介质的折射实现汇聚效果，而对于 H 面，传统的平行金属板加载材料不再适用。本文提出在圆柱体两侧加载金属网格的方法，改变 H 面磁场相位分布，从而降低天线 H 面副瓣电平，减小波束宽度，提高天线增益。此外，分别通过机械加工和3D打印的Luneburg透镜天线制作方式对提出的加载金属网格的方法进行实验验证。以机械加工的天线为例，在天线的H面，26GHz时加载后的天线HPBW为34.2°，比未加载时减小12.3°，H面的副瓣电平为-15.1dB，比未加载时降低7.6dB。这部分内容的研究成果已经在国际核心期刊IEEE Transactions on Antennas and Propagation、国际核心期刊International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering和国际会议IEEE 2019 11th International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT)上发表，并已申请国家发明专利。
(4) 提出了一种新型28/38GHz双频贴片天线，通过SIW传输线上的耦合缝隙对一对印刷在上层介质板上的金属臂馈电，两个金属臂上分别加载一个短路金属柱，金属臂天线工作在 38GHz，两个臂上表面电流方向相同，在远场叠加，形成辐射；28GHz 的天线采用短路金属柱加载的微带贴片结构，通过加载一对短路金属柱实现天线感性加载。将28GHz微带天线和38GHz金属臂天线结合在一起。由于在两个频率工作时天线参与辐射的表面电流区域完全不同，因此该双频天线的两个工作频率相关性很小，可以实现天线两个工作频率的独立调整，适合5G毫米波MIMO通信不同频率的应用。设计的双频天线，两个分隔开的S11<-10 dB的带宽分别为27.7-28.7 GHz和36.8-40.2 GHz，相对带宽分别为3.8%和9.0%，增益在28GHz时为8.4dBi，在38GHz时为6.1dBi。这部分研究成果已经分别在国际会议 2020 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation&USNC/URSI National Radio Science Meeting (APS&URSI)上投稿和在国际核心期刊IEEE Access上发表。