基于磁偶极子引向器的毫米波低剖面端射高增益天线的研究

作     者：杨菊 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：靳贵平;曹静

授予年度：2021年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：毫米波 5G 磁偶极子 引向器 端射 

摘      要：随着无线通信系统的日益发展,尤其是随着5G时代的到来,毫米波频段的发展与应用备受研究与关注。因此,对无线系统的关键器件天线也提出了更高的要求。毫米波端射天线在机载、车载通信系统、雷达系统以及点对点通信系统等方面有着广阔的应用。为了满足端射天线愈来愈高的指标要求,本文对5G毫米波频段(24.25-29.5GHz)的线极化和圆极化端射天线进行研究与设计,基于提出的印刷磁偶极子引向器提高端射增益,实现的三种端射天线具有低剖面、宽带宽、高增益、结构简单、易集成和易加工等优良特性。本文工作的主要内容包括:1.提出了一种平面带线馈电的毫米波垂直线极化端射天线。该天线单元是由平面喇叭馈源和寄生磁偶极子引向器组成的。平面喇叭馈源由差分带线馈电,通过展开的金属化过孔与金属贴片形成喇叭口径。该喇叭馈源为垂直极化辐射,可在低剖面情况下呈现宽带宽特性,且增益稳定。为了提高该喇叭馈源的增益,在喇叭口径前增加寄生的磁偶极子引向器,该引向器由金属贴片和金属化过孔组成,通过对垂直极化的引向作用,使得喇叭口径的波前平面更加均匀,从而提高天线的增益。整个喇叭天线单元的结构完全对称,剖面高度为0.14λ,阻抗带宽达到35.5%,工作频带内的增益平稳且在10d Bi以上,辐射方向图完全对称。为了进一步提高天线的增益,本文设计一种平面带线型T形功分器,实现两单元的线极化阵列,该阵列的阻抗带宽达到32%,峰值增益为13.9d Bi,且1d Bi增益带宽为21.32%,辐射方向图完全对称。2.提出了一种平面带线馈电的毫米波圆极化端射天线。基于平面带线馈电的线极化端射天线,设计了圆极化端射天线的馈源。该馈源由垂直极化喇叭馈源上下两面对称的金属贴片改进成分别向两侧延伸的互补型偶极子贴片实现。通过调整其尺寸,使得馈源产生的水平极化与垂直极化辐射幅度相等、相位相差90度,从而形成端射的圆极化辐射。此外,通过在馈源两侧添加寄生贴片,从而增强低频谐振,增加阻抗带宽。为了提高馈源增益,基于垂直极化磁偶极子引向器提出双极化引向器,实现对圆极化的引向。整个天线上下两面180°旋转对称,剖面高度为0.14λ,阻抗带宽达到34.3%,3d B轴比带宽为23.3%,工作频带内的圆极化增益在11.08～13.5d Bi之间,辐射方向图保持对称。3.提出了一种基片集成波导(SIW)馈电的毫米波圆极化端射天线。该圆极化馈源由SIW对其上下表面的金属贴片引入水平电流使其同向从而产生水平极化辐射,该水平极化辐射与SIW的垂直极化辐射通过调整尺寸而达到幅度相等、相位相差90度,进而形成圆极化辐射。为了进一步提高圆极化增益,在该馈源前方增加寄生的双极化磁偶极子引向器,通过引向作用,均匀波前平面,从而增益得到提高。整个天线上下两面180°旋转对称,剖面高度为0.14λ,阻抗带宽达到30.76%,3d B轴比带宽为26.31%,峰值增益达到10.58d Bi,工作频带内的增益平稳且在10d Bi以上。通过上述工作的研究,丰富了平面线极化天线和圆极化天线的设计理论和方法,同时也为工程上的实际应用提供了技术支持。