毫米波太赫兹圆极化天线及阵列研究

1、毫米波 / 太赫兹圆极化天线及阵列研究近年来 , 毫米波 / 太赫兹频段在科学理论和工程应用上备受关注。毫米波 / 太赫兹频段具有绝对带宽大、 波长小的特点 , 可用来实现高速/ 超高速无线通信、小型化高清成像雷达等。天线作为无线通信系统中的关键部件之一 , 对毫米波 / 太赫兹应用的发展起着决定性作用。 另一方面 , 相对于线极化天线 , 圆极化天线在减小信道极化失配、 抑制多径干涉等方面具有显著优势。 面临着高工作频率和大工作带宽的要求 ,如何有效地设计毫米波 / 太赫兹圆极化天线面临诸多挑战 , 且成为学术界和工业界的研究热点。 本论文主要研究了背腔式交叉偶极子在毫米波频段的应用、高性能

2、圆极化毫米波天线的设计方法 ( 分别针对宽轴比波束宽度、大轴比带宽、低成本、高增益的特性 ) 、太赫兹圆极化天线阵的设计方法。本论文的主要创新工作有 :1. 提出了一种背腔式交叉偶极子在 Ka 频段的实现方法。针对交叉偶极子在毫米波频段馈电难的问题 , 首次提出了集成馈电巴伦和交叉偶极子于同一介质基板的分离式交叉偶极子结构 ; 同时 , 为了更好的天线电性能和机械强度 , 交叉偶极子放置于带有脊的圆柱腔体上 ; 详细分析了分离式交叉偶极子实现圆极化辐射机理。 测试结果表明 , 提出的天线在 Ka 频段内实现了 30.7%的 3dB轴比带宽、 13.9dBi 的频带内最高增益、稳定的辐射方向图。

3、2. 提出了一种具有宽轴比波束的圆极化天线的设计方法。以末端开放的椭圆波导腔作为天线辐射口径 , 分析椭圆波导的两个正交模式在口径面上的场分布 , 通过近远场变换优化远场圆极化辐射特性; 详细分析了波导口径尺寸、正交模式的幅度比和相位差对轴比波束宽度的影响 ; 以交叉偶极子为该腔体天线的激励源 , 通过介质集成波导宽边的缝隙耦合馈电。在 60GHz频段 , 设计、加工、测试了该波导腔体天线 ; 实验结果表明 , 该天线在 60GHz频点 xz 和 yz 平面上 , 可分别实现 134和 172的 3dB轴比波束宽度。 3. 从宽轴比带宽的角度出发 , 提出了一种偶极子激励的椭圆柱背腔天线。偶极

4、子极化方向与椭圆柱腔体的长轴有一定夹角 , 可激励起椭圆柱腔体的两个正交模式 ; 通过优化夹角、 偶极子在腔体内高度、 腔体的尺寸 , 实现具有宽轴比频带宽度的圆极化天线。 在毫米波频段设计、 加工、测试了该天线 ;实验结果表明 , 提出的天线 3dB轴比频带为 5062.8GHz。4. 从低成本、易集成的角度出发 , 提出了工作在 60GHz频段的一种贴片 - 槽偶极子圆极化天线。贴片偶极子通过 T 型带线耦合馈电 , 槽天线通过从贴片偶极子两臂上分别引出的带线直接差分馈电 ; 同时 , 通过增加金属化过孔构成的圆柱背腔抑制表面波 , 提高天线辐射效率。天线印制在单层介质基板上 , 利用传统

5、印刷电路板刻蚀技术实现。测试结果表明 , 该天线在 56.265GHz频率范围内实现了小于 3dB的轴比、稳定的辐射方向图、良好的阻抗匹配。 5. 从高增益的角度出发 , 提出了一种毫米波圆极化漏波天线。 利用带有地板的金属带线格栅结构实现漏波辐射 ; 通过分析口径场分布 , 圆极化漏波天线结构设计为阿基米德螺旋带线 , 通过作为单极子的同轴探针在天线结构中心馈电 ; 根据优化的仿真结果 , 加工、测试了该天线 ; 实验结果表明 , 所提出的无需馈电网络的漏波天线在 60.5GHz 可以实现最高 24.52dBi 增益。 6. 提出了两种太赫兹圆极化贴片天线阵。 第一种是利用金属盲孔阵结构的准表面等离子体波导为馈线 , 以倾斜的矩形贴片为辐射单元, 实现了基于准表面等离子体波导的频率扫描太赫兹圆极化天线阵; 在微波频段 , 设计、加工、测试了该圆极化天线阵来验证所提出的方法。第二种是以内嵌介质波导为馈电网络的平面圆极化贴片天线阵, 圆极化辐射单元为分布在内嵌介质波导槽两侧的矩形贴片和圆形贴片组成的混合贴片单元 ; 馈电网络由一分四功分器和四个内嵌介质波导组成, 实现并联 - 串联组合馈电 ; 根据硅基微加工工艺 , 设计、仿真了该太赫兹