毫米波圆极化多波束天线阵

摘要

随着时代的进步，对通信技术提出了越来越多的要求和挑战，我们期望通信系统具有更高的传输速率、更大的信道容量，更低的时延，更高的稳定性、更低的功耗，而传统的频谱资源已然消耗殆尽，毫米波频段将出现在5G通信的频谱中。然而，毫米波由于其频段高，传输距离短，有着损耗大，易受干扰的缺点。圆极化波具有优秀的抗干扰特性，而多波束技术可以有效地提高波束增益。 传统的微带结构传输线应用于毫米波频段具有较大的损耗的干扰，而金属波导则很难集成，基片集成波导(SIW)则同时兼顾了低损耗和集成化的优势成为毫米波频段的最佳传输线之一。波束赋形网络是是实现多波束天线的重要手段，基于基片集成波导的波束赋形网络已经有着非常成熟的设计方案和思路。本文将以毫米波圆极化多波束天线为研究方向，设计实现了两个基于基片集成波导的毫米波圆极化多波束天线方案。本文的主要内容包括： 介绍了毫米波圆极化多波束天线的研究背景及意义，归纳总结了国内外在多波束系统设计、圆极化天线及阵列设计、圆极化多波束天线设计的研究成果。 从理论层面上分析了电磁波的极化，波束扫描原理，以及波束扫描时对波束极化状况的控制，从中总结了圆极化多波束天线的设计要点。推导了轴比与交叉极化电平的关系，并给出了AR=0.5dB-4dB时与交叉极化电平的对照表。 设计了可以应用于均匀直线阵列的磁电偶极子天线，在3×3Butler矩阵的基础上设计了可以保留法向波束的5×6Butler矩阵，详细介绍了5×6Butler矩阵的工作原理以及每一个器件的设计思路与过程，将其级联加工测试实现了一个能够覆盖±40°，增益达到12dBi的圆极化五波束天线系统。 设计了可以应用于平面阵列的磁电偶极子天线，引入了集成笼形腔结构使天线具有更宽轴比波束宽度。而后设计了旋转顺序馈电的2×2的磁电偶极子天线阵，基于2×2的磁电偶极子天线阵设计了小型化的应用于二维波束扫描的4×4Butler矩阵，级联加工测试实现了一个二维扫描、增益达到10dBi的圆极化四波束天线阵。

目录

第一章 绪论

1.1 圆极化毫米波多波束的研究背景和意义

1.2 圆极化毫米波多波束天线的研究历史和现状

1.2.1 毫米波多波束天线及波束成型网络的研究历史和现状

1.2.2 圆极化天线及多波束圆极化的研究历史和现状

1.3 本文的研究重点与创新

1.4 本文的结构安排

第二章 电磁波极化特性及天线阵列理论

2.1电磁波的极化特性与圆极化波

2.2 天线阵列理论

2.2.1 均匀直线阵的理论基础

2.2.2 矩形栅格排列的平面阵列理论基础

2.3 波束扫描时主波束的圆极化特性控制

2.4 轴比与交叉极化电平的换算

2.5 本章小结

第三章 基于圆极化磁电偶极子天线的一维多波束天线阵

3.1 应用于一维扫描的圆极化磁电偶极子天线的设计

3.1.1 天线单元结构设计与工作原理

3.1.2 天线单元的参数分析

3.25×6 Butler矩阵的设计

3.2.15×6 Butler矩阵的基本原理与输出相位分析

3.2.25×6 Butler矩阵的结构

3.2.35×6 Butler矩阵中两种定向耦合器的设计

3.2.45×6 Butler矩阵中移相器的设计

3.2.55×6 Butler矩阵中功分器与E面跨层传输耦合器的设计

3.2.65×6 Butler矩阵结构与仿真结果

3.3适配于5×6 Butler矩阵输出端口排布的天线阵列的设计

3.45×6 Butler矩阵与天线阵的级联仿真、加工与测试

3.5 本章小结

第四章 基于圆极化磁电偶极子天线的二维扫描天线阵

4.1 改进型应用于二维扫描的圆极化磁电偶极子天线

4.1.1 天线结构

4.1.2 二维扫描天线阵列设计

4.2 应用于二维扫描的4×4 Butler矩阵的设计

4.2.14×4 Butler矩阵的结构

4.2.24×4 Butler矩阵中3dB定向耦合的设计

4.2.34×4 Butler矩阵结构设计

4.3 旋转顺序馈电的移相器的设计

4.4 系统的联合仿真、加工和测试

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果