Ka波段高增益有源阵列天线的研究

摘要

近年来，随着5G通信和卫星通信的快速发展，将来无线通信系统的天线将变得越来越复杂。而天线的小型化问题将是未来的研究重点。有源天线由于体积小、频带宽等优点受到各国研究者关注。
　　本文针对当前发展导向进行选题研究，主要研究频段为Ka波段，论文主要研究功率放大器、四元切比雪夫阵列天线、四元有源阵列天线、16元切比雪夫阵列天线的设计以及16路有源阵列天线的设计，并完成部分实物制作与测试。各部分内容如下：
　　1、基于Hittite公司的HMC383LC4芯片的小型化功率放大器的设计与制作，用ADS2008软件仿真分析了射频输入与输出端的阻抗连续性变换，由测试结果表明，在28.44~29.24GHz频段内S11＜-10dB，增益约为6.34dB。
　　2、四元切比雪夫阵列天线设计。为了降低旁瓣，提高子阵增益，增加天线的抗干扰能力以及为随后的天线集成留有更多的排布空间，设计了一种可用于5G通信和卫星通信的微带线阵，由测试结果表明，在28.77~29.58 GHz频段内，无源子阵S11＜-10 dB，H面即垂直方向3 dB波束宽度为10.58°，H面第一旁瓣电平为-16.4 dB，主波束上最大增益为11.48dB，实测与仿真结果基本吻合。
　　3、四元有源阵列天线的设计。为了实现天线的小型化，则需要在无源子阵后面集成一个功率放大器电路，需要对先前设计的功率放大器的射频输出端进行改进，在本文中选择玻璃珠绝缘子用于天线与功率放大器集成，由测试结果表明，有源集成子阵的回波损耗S11＜-10dB的阻抗带宽为27~31GHz，比无源子阵有更宽的带宽，这主要是宽带功率放大器与无源子阵集成在一起使天线带宽变宽。
　　4、16元切比雪夫阵列天线的设计。采用切比雪夫综合法可以降低阵列天线的旁瓣电平，提高阵列天线的抗干扰能力以及具有更好的方向性。在设计中，通过串并联馈电方式组阵，即可以减小了天线尺寸，也降低了馈线的损耗。
　　5、16路有源阵列天线的设计。16个射频放大器和64个天线元件通过16个玻璃珠绝缘子集成在单个PCB板的两侧。从仿真结果中表明，在频带28.8~29.3GHz范围内，每个天线子阵的S11＜-10 dB，显示了良好的阻抗带宽特性，天线主波束的最大增益为26.4dB，在基于第四章有源子阵的设计基础，提出了Ka波段29GHz有源阵列天线的设计方案，若与13dB的功率放大器连接后，可以实现35dB增益的设计要求。

目录

第一章 绪论

§1.1 研究背景及意义

§1.2 国内外研究现状

§1.3 本文的主要工作内容和特点

第二章 有源阵列天线的设计理论

§2.1 有源天线概述

§2.2 功率放大器基本理论

§2.3 微带天线设计理论

§2.4 微带阵列天线馈电网络

§2.5 微带功分器

§2.6 本章小结

第三章 天线单元与功率放大器设计

§3.1 微带阵列天线单元设计

§3.2 矩形天线单元仿真

§3.3 缝隙耦合单元天线设计

§3.4 芯片的选取

§3.5本章小结

第四章 有源子阵设计

§4.1 4元低旁瓣微带子阵设计

§4.2 Ka波段4单元有源集成天线的仿真与设计

§4.3 金属化通孔信号传输原理

§4.4 Ka波段有源天线子阵的测试

§4.5 本章小结

第五章 Ka波段阵列天线的设计

§5.1 Ka波段H型缝隙耦合2×2阵列天线的仿真与设计

§5.2 Ka波段16元Chebyshev阵列设计

§5.3 16路通道大规模有源阵列天线的设计方案

§5.4 本章小结

第六章 结束语

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果