毫米波微带串馈阵列天线研究

摘要

近年来，随着无线通信的飞速发展，对高速率大容量宽频带的系统需求越来越大，毫米波频段也作为新开发的频谱资源受到广泛关注。毫米波天线成为了一个热门的研究课题，并被广泛应用于第五代移动通信系统和雷达系统中。由于微带串馈阵列天线具有剖面低、重量轻、制造成本低和馈线长度短、损耗小等优点，因此被普遍地应用在毫米波系统中。本文主要围绕毫米波微带串馈阵列天线开展研究，论文的主要工作如下:
　　首先，基于贴片单元宽度渐变法，设计了一种工作在77GHz频段的16单元端点馈电微带阵列天线。仿真结果表明，单根16单元串馈线阵的阻抗带宽为1.9GHz，副瓣电平(Side lobe level，SLL)为-16.8dB并且半功率波束宽度(Half Power Beamwidth，HPBW)为5.8°。测试结果表明，平面阵中的单根线阵的阻抗带宽为2.6GHz，副瓣电平为-11.0dB并且半功率波束宽度为5.4°。天线的阻抗带宽和波束宽度满足指标的要求，但是副瓣电平恶化程度较大。这表明，在毫米波频段，单纯采用贴片宽度渐变法实现微带串馈阵列天线的低副瓣具有一定的局限性。
　　然后，提出了一种适用于毫米波频段的微带串馈阵列天线低副瓣特性设计方法。该方法利用高频结构仿真软件(High Frequency Structure Simulator，HFSS)与差分进化算法(Differential Evolution Algorithm，DEA)相结合进行天线参数联合优化。通过采用DEA，将波束宽度、波束偏转角、天线阵元的间距、阵元的谐振长度和阵元的相对宽度作为优化的约束条件，然后寻找满足约束条件的副瓣电平优化解。该方法将阵元间的互耦效应、微带馈线损耗和表面波效应考虑在内，结果更加准确，更加适用于毫米波频段。
　　最后，提出了一种准均匀阵元间距结构，并采用联合优化方法设计了中心频点为38GHz的中心馈电和端点馈电的准均匀阵元间距微带阵列天线。测试结果表明，10阵元的中心馈电准均匀阵元间距天线的副瓣电平为-20.2dB并且波束宽度为8.0°，10阵元的端点馈电准均匀阵元间距天线的副瓣电平为-21.7dB并且波束宽度为7.6°。和传统的设计方法相比，采用联合优化方法设计的准均匀阵元间距微带串馈阵列天线在保持高增益特性的情况下，可以在毫米波频段实现更低的副瓣、更窄的波束宽度和更小的天线尺寸。在相同波束宽度的情况下，准均匀阵元间距的微带串馈天线阵列的副瓣电平接近于切比雪夫理论解给出的副瓣电平。

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摘要

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表格目录

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 微带串馈阵列天线研究现状

1．3 本文的主要工作

参考文献

第二章 微带阵列天线的基本原理

2．1 研究背景

2．2 微带天线的基本原理

2．2．1 微带天线的结构和特点

2．2．2 微带天线的辐射原理

2．3 微带阵列天线的馈电方式

2．3．1 并联馈电

2．3．2 串联馈电

2．4 微带串馈阵列天线的理论分析

2．4．1 微带串馈阵列天线形式

2．4．2 微带直线阵列辐射特性

2．4．3 切比雪夫综合法

2．5 本章小结

参考文献

第三章 77GHZ微带串馈阵列天线

3．1 研究背景

3．2 设计指标和设计步骤

3．3 微带天线单元的设计

3．3．1 基板的选择

3．3．2 天线单元的尺寸计算

3．3．3 天线单元的仿真结果

3．4 微带串馈阵列天线设计

3．4．1 方案设计

3．4．2 结构模型

3．4．3 仿真结果

3．5 基于波导探针的测试

3．5．1 结构模型

3．5．2 仿真及测试结果

3．6 基于微带到波导转接的测试

3．6．1 结构模型

3．6．2 仿真及测试结果

3．7 本章小结

参考文献

第四章 准均匀阵元间距毫米波低副瓣微带串馈阵列天线

4．1 研究背景

4．2 优化方案介绍

4．2．2 优化流程图

4．3 中心馈电毫米波低副瓣微带阵列天线

4．3．1 天线设计

4．3．2 联合优化

4．3．3 仿真及测试结果

4．3．4 比较和讨论

4．4 端点馈电毫米波低副瓣微带阵列天线

4．4．1 天线设计

4．4．2 仿真及测试结果

4．4．3 比较和讨论

4．5 本章小结

参考文献

5．1 全文工作总结

5．2 后期工作展望

致谢

作者简介

攻读工学硕士学位期间发表的学术论文情况

攻读工学硕士学位期间申请专利情况