差分毫米波探头天线研究

摘要

毫米波暗室作为重要的无线设备测试系统，测试精度和测试静区大小是其主要的性能指标。探头天线作为测试系统中的信号收发部件，对测试系统的性能有着重要的影响。传统低频段探头天线以喇叭天线为主要形式。在毫米波小型暗室中，喇叭天线形式的探头天线难以满足宽角度交叉极化、小尺寸和低剖面等要求。因此，本文开展了差分毫米波探头天线的研究与设计。论文的主要工作内容如下：　　1.设计了一款基于基片集成波导的差分毫米波磁电偶极子探头天线。针对毫米波探头天线剖面过高导致测试静区空间范围较小以及交叉极化性能难以满足高精度测试的问题，以微带转基片集成波导的差分馈电电路向磁电偶极子的辐射单元进行差分耦合馈电，实现了±30°范围内小于-20dB的交叉极化、对称的辐射方向图、40°的3dB波束宽度以及10.56dBi的最大增益，保证了较高的测试精度。天线工作带宽(S11＜-10dB)为31.6GHz-34GHz；天线尺寸为36mm×16mm×1.6mm，具备0.18λ(λ为33GHz对应的自由空间波长)的低剖面，提供了较大的测试静区范围。除此之外，还设计了一款微带转基片集成波导的差分馈电结构用来对天线进行实物测试。　　2.设计了一款基于背腔结构的差分毫米波阵列贴片探头天线。针对毫米波探头天线差分馈电与辐射单元非一体化设计以及天线整体尺寸对测试静区范围和交叉极化性能的影响，通过背腔结构扩展天线工作带宽和提高天线性能；一分四的差分馈电网络实现对2×2贴片阵列的差分耦合馈电，实现了±40°范围内小于-23dB的交叉极化、对称的辐射方向图、30°的3dB波束宽度以及12.33dBi的最大增益，保证了较高的测试精度。天线工作带宽(S11＜-10dB)为26.5GHz-40GHz；天线使用三层板结构将背腔、馈电网络和辐射单元高度集成，天线尺寸为19.5mm×19.5mm×6mm，具备0.67λ(λ为33GHz对应的自由空间波长)的低剖面，提供了较大的测试静区范围。

目录

声明

第1章绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 差分天线

1.2.2 探头天线

1.3 本文的主要工作及结构安排

第2章探头天线的基本理论

2.1 电磁场理论

2.1.1 Maxwell 方程组及边界条件

2.1.2 电偶极子的辐射场

2.2 天线仿真软件

2.3 天线的主要性能参数

2.3.1 天线电路性能参数

2.3.2 天线辐射性能参数

2.4 天线测试环境和测试方法

2.4.1 毫米波测试暗室

2.4.2 天线参数测量

2.5 功分器

2.6 磁电偶极子天线

2.7 背腔天线

2.8 本章小结

第3章差分毫米波磁电偶极子探头天线

3.1 引言

3.2 天线设计概述

3.3 差分馈电结构设计

3.4 天线性能及参数分析

3.4.1 磁电偶极子尺寸对天线反射系数和交叉极化的影响

3.4.2 耦合缝隙尺寸对天线反射系数和交叉极化的影响

3.5 差分毫米波磁电偶极子探头天线实物测试

3.5.1 差分馈电结构实物测试

3.5.2 探头天线实物测试

3.6 本章小结

第4章差分毫米波阵列贴片探头天线

4.1 天线设计概述

4.2 辐射单元设计

4.3 馈电网络设计

4.4 背腔结构设计

4.5.1 阵列贴片尺寸对天线反射系数和交叉极化的影响

4.5.2 腔体尺寸对天线反射系数和交叉极化的影响

4.6 背腔阵列贴片探头天线测试

4.6.1 反射系数测试

4.6.2 方向图测试

4.7 本章小结

第五章总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 软件著作权