基片集成寬帶天線和多頻段多極化天線的研究.pdf

1、天線是移動通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等系統(tǒng)的重要組成部分?？紤]到系統(tǒng)的小型化、多頻段、多功能的發(fā)展趨勢，集成天線得到越來越多的研究和應(yīng)用。本文主要圍繞基片集成寬帶天線和多頻段多極化天線開展研究，論文的主要工作如下:
　　第一章提出了一種易于平面集成的Q波段雙模寬帶貼片天線單元以及基于基片集成波導(dǎo)（SIW: Substrate Integrated Waveguide）技術(shù)的2×2寬帶陣列。首先，在傳統(tǒng)的貼片天線基礎(chǔ)上，通過加載感性

2、通孔和容性環(huán)形槽，引入了一個新的頻率獨立可控的諧振模式，進(jìn)而將天線帶寬由6.9％展寬至12.4％。其次，通過引入一個互感，改進(jìn)了同軸饋電貼片天線傳統(tǒng)的等效電路，進(jìn)而為該雙模天線單元建立了等效電路模型。最后，為了提高天線增益，設(shè)計了基于SIW技術(shù)的2×2陣列。測試結(jié)果表明，天線陣列的阻抗帶寬（回波損耗小于-10 dB）達(dá)12.7％、2 dB增益帶寬達(dá)13.95％。該部分研究成果已經(jīng)在國際會議ISAP'2013上發(fā)表。
　　第二章基于

3、單層印刷電路板(PCB: Printed Circuit Board)工藝，提出并設(shè)計了一種Q波段寬帶圓極化天線單元以及陣列。首先，將雙饋圓極化技術(shù)和SIW技術(shù)結(jié)合，提出了一種新的毫米波寬帶圓極化天線單元。該天線單元軸比和阻抗帶寬達(dá)20％以上(38GHz-47 GHz)。其次，提出了采用二階感性窗匹配的方法，將該天線單元的1 dB增益帶寬由3 GHz展寬至9 GHz，而軸比和阻抗帶寬幾乎不變。最后，分析了由雙饋的雙極化貼片陣列天線設(shè)計的

4、圓極化天線陣列的帶寬特性，并在此基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)在傳統(tǒng)的SIW耦合器中引入TE30模，設(shè)計了具有軸比誤差補償功能的新型SIW耦合器。最終該圓極化天線陣列的實測阻抗、軸比、增益帶寬均達(dá)約20％，峰值增益達(dá)12.35 dBic。該部分工作已投稿至IEEE Trans.on AP。
　　第三章針對通常采用單饋點圓極化單元設(shè)計的順序旋轉(zhuǎn)陣列(CP-SRA)增益帶寬受限的問題進(jìn)行了研究:1）導(dǎo)出了包含單元極化特性的順序旋轉(zhuǎn)陣列(SRA)陣因

5、子的理論解析公式，分析了單元極化特性對SRA陣因子的影響;2）分析了由具有不同極化特性的天線單元組成的SRA的陣因子的頻率特性，指出了對于用單饋點單元設(shè)計的SRA，陣因子的峰值和帶寬是一對矛盾;3）提出采用橢圓極化單元設(shè)計陣列，以在增益的帶寬和峰值之間進(jìn)行不同程度的折衷，從而為設(shè)計提供了更大的自由度。實際上，常規(guī)的CP-SRA和LP-SRA（由線極化單元設(shè)計的SRA）是本章中提出的EP-SRA（由橢圓極化單元設(shè)計的SRA）的兩個特例。本

6、章的設(shè)計實例表明，相對于CP-SRA，EP-SRA的增益峰值減小了0.8 dB，而1 dB和3 dB增益帶寬分別增加了114％和76％。該部分工作已投稿至IEEE Trans.on AP。
　　第四章提出了一類結(jié)構(gòu)緊湊的雙頻雙極化、圓極化、以及三頻三極化的新型天線。首先，通過同時激勵三角形環(huán)的兩個正交模式，實現(xiàn)了頻率比可以連續(xù)調(diào)節(jié)的雙頻雙極化天線和圓極化天線;其次，利用三角形環(huán)圓極化單元結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，實現(xiàn)了實測副瓣電平低于-20

7、 dB的2×2寬帶圓極化陣列;最后，通過同時激勵一對三角形環(huán)，實現(xiàn)了在三個頻段分別輻射水平極化波、45°極化波和垂直極化波的小型化天線單元。制版加工的120°三角形環(huán)（用于雙頻雙極化天線）和75°三角形環(huán)（用于圓極化天線）的尺寸分別僅為常規(guī)三角形貼片天線的28.2％和65.5％。而三頻三極化天線的尺寸僅為0.28λ0×0.28λ0×0.04λ0，λ0為8.38 GHz時的自由空間波長。本章中關(guān)于雙頻雙極化和圓極化單元和陣列的工作將在IE

8、EE AWPL上刊出;關(guān)于三頻三極化天線的工作已經(jīng)投稿至IEEE AWPL.
　　第五章提出、分析并設(shè)計了基于雙模三角形環(huán)槽的SIW背腔雙頻段45°線極化和圓極化天線。首先，提出了雙模三角形環(huán)槽結(jié)構(gòu)，并采用諧振在最低模式的SIW腔激勵起其兩個諧振模式（槽模式和貼片模式），從而實現(xiàn)了頻率比覆蓋范圍寬達(dá)1.16至1.74的雙頻45°極化的低輪廓天線。其次，借助于等效電路模型，深入分析并揭示了三角形環(huán)槽的槽模式、貼片模式以及SIW腔模式