毫米波-太赫茲圓極化天線及陣列研究.pdf

1、近年來，毫米波/太赫茲頻段在科學(xué)理論和工程應(yīng)用上備受關(guān)注。毫米波/太赫茲頻段具有絕對帶寬大、波長小的特點(diǎn)，可用來實(shí)現(xiàn)高速/超高速無線通信、小型化高清成像雷達(dá)等。天線作為無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，對毫米波/太赫茲應(yīng)用的發(fā)展起著決定性作用。另一方面，相對于線極化天線，圓極化天線在減小信道極化失配、抑制多徑干涉等方面具有顯著優(yōu)勢。面臨著高工作頻率和大工作帶寬的要求，如何有效地設(shè)計(jì)毫米波/太赫茲圓極化天線面臨諸多挑戰(zhàn)，且成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的

2、研究熱點(diǎn)。本論文主要研究了背腔式交叉偶極子在毫米波頻段的應(yīng)用、高性能圓極化毫米波天線的設(shè)計(jì)方法（分別針對寬軸比波束寬度、大軸比帶寬、低成本、高增益的特性）、太赫茲圓極化天線陣的設(shè)計(jì)方法。本論文的主要創(chuàng)新工作有：
　　1.提出了一種背腔式交叉偶極子在 Ka頻段的實(shí)現(xiàn)方法。針對交叉偶極子在毫米波頻段饋電難的問題，首次提出了集成饋電巴倫和交叉偶極子于同一介質(zhì)基板的分離式交叉偶極子結(jié)構(gòu)；同時，為了更好的天線電性能和機(jī)械強(qiáng)度，交叉偶極子放置

3、于帶有脊的圓柱腔體上；詳細(xì)分析了分離式交叉偶極子實(shí)現(xiàn)圓極化輻射機(jī)理。測試結(jié)果表明，提出的天線在Ka頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了30.7％的3dB軸比帶寬、13.9dBi的頻帶內(nèi)最高增益、穩(wěn)定的輻射方向圖。
　　2.提出了一種具有寬軸比波束的圓極化天線的設(shè)計(jì)方法。以末端開放的橢圓波導(dǎo)腔作為天線輻射口徑，分析橢圓波導(dǎo)的兩個正交模式在口徑面上的場分布，通過近遠(yuǎn)場變換優(yōu)化遠(yuǎn)場圓極化輻射特性；詳細(xì)分析了波導(dǎo)口徑尺寸、正交模式的幅度比和相位差對軸比波束寬度的

4、影響；以交叉偶極子為該腔體天線的激勵源，通過介質(zhì)集成波導(dǎo)寬邊的縫隙耦合饋電。在60GHz頻段，設(shè)計(jì)、加工、測試了該波導(dǎo)腔體天線；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線在60GHz頻點(diǎn)xz和yz平面上，可分別實(shí)現(xiàn)134°和172o的3dB軸比波束寬度。
　　3.從寬軸比帶寬的角度出發(fā)，提出了一種偶極子激勵的橢圓柱背腔天線。偶極子極化方向與橢圓柱腔體的長軸有一定夾角，可激勵起橢圓柱腔體的兩個正交模式；通過優(yōu)化夾角、偶極子在腔體內(nèi)高度、腔體的尺寸，實(shí)現(xiàn)具

5、有寬軸比頻帶寬度的圓極化天線。在毫米波頻段設(shè)計(jì)、加工、測試了該天線；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的天線3dB軸比頻帶為50~62.8GHz。
　　4.從低成本、易集成的角度出發(fā)，提出了工作在60GHz頻段的一種貼片-槽偶極子圓極化天線。貼片偶極子通過 T型帶線耦合饋電，槽天線通過從貼片偶極子兩臂上分別引出的帶線直接差分饋電；同時，通過增加金屬化過孔構(gòu)成的圓柱背腔抑制表面波，提高天線輻射效率。天線印制在單層介質(zhì)基板上，利用傳統(tǒng)印刷電路板刻蝕技

6、術(shù)實(shí)現(xiàn)。測試結(jié)果表明，該天線在56.2~65GHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了小于3dB的軸比、穩(wěn)定的輻射方向圖、良好的阻抗匹配。
　　5.從高增益的角度出發(fā)，提出了一種毫米波圓極化漏波天線。利用帶有地板的金屬帶線格柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)漏波輻射；通過分析口徑場分布，圓極化漏波天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為阿基米德螺旋帶線，通過作為單極子的同軸探針在天線結(jié)構(gòu)中心饋電；根據(jù)優(yōu)化的仿真結(jié)果，加工、測試了該天線；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的無需饋電網(wǎng)絡(luò)的漏波天線在60.5GHz可以

7、實(shí)現(xiàn)最高24.52dBi增益。
　　6.提出了兩種太赫茲圓極化貼片天線陣。第一種是利用金屬盲孔陣結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)表面等離子體波導(dǎo)為饋線，以傾斜的矩形貼片為輻射單元，實(shí)現(xiàn)了基于準(zhǔn)表面等離子體波導(dǎo)的頻率掃描太赫茲圓極化天線陣；在微波頻段，設(shè)計(jì)、加工、測試了該圓極化天線陣來驗(yàn)證所提出的方法。第二種是以內(nèi)嵌介質(zhì)波導(dǎo)為饋電網(wǎng)絡(luò)的平面圓極化貼片天線陣，圓極化輻射單元為分布在內(nèi)嵌介質(zhì)波導(dǎo)槽兩側(cè)的矩形貼片和圓形貼片組成的混合貼片單元；饋電網(wǎng)絡(luò)由一分四功分