【摘 要】
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相控阵可根据需要,改变高增益波束方向或形成特定波束形状,对毫米波通信（包括5G/6G）、雷达、成像和探测等系统都有重要价值。相控阵最大扫描角是相控阵天线最重要的指标之一,它决定了天线的覆盖扫描范围。由于毫米波频段天线加工工艺的限制,设计宽角扫描相控阵较为困难,故需要引入新的设计方法来提高相控阵扫描能力。本文首先在使用平面电路工艺的前提下,基于波导缝隙天线结构,分别通过介质谐振腔及“弯折形”缝隙等结
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相控阵可根据需要,改变高增益波束方向或形成特定波束形状,对毫米波通信（包括5G/6G）、雷达、成像和探测等系统都有重要价值。相控阵最大扫描角是相控阵天线最重要的指标之一,它决定了天线的覆盖扫描范围。由于毫米波频段天线加工工艺的限制,设计宽角扫描相控阵较为困难,故需要引入新的设计方法来提高相控阵扫描能力。本文首先在使用平面电路工艺的前提下,基于波导缝隙天线结构,分别通过介质谐振腔及“弯折形”缝隙等结构设计了两种宽角扫描相控阵天线。然后,基于“异构”设计方法,在“弯折形”缝隙宽角扫描相控阵天线的基础上,设计了一款超宽角扫描相控阵,有效提高了相控阵最大扫描角。具体研究内容如下:1、基于介质谐振腔的毫米波宽角扫描相控阵天线:首先,通过加载介质谐振腔以及采用“工”形缝耦合馈电结构,有效改善了 1×4元列子阵整体的匹配性能以及提高了阵元有源波束宽度。列子阵各个阵元采用并联馈电网络馈电,以便保证列子阵具有更好的波束稳定性。基于列子阵构成4×4元相控阵天线,阵元间距为4.5mm（0.4λ0@26.875GHz）。样品测试表明,相控阵可以在24.25-29.5GHz的频带内实现大于15dBi的增益和大于±55°的扫描角。2、基于“弯折”缝隙的毫米波宽角扫描相控阵天线:首先,在波导缝隙阵的基础上,采用“弯折形”缝隙替代传统直缝隙,从而在保证阻抗带宽的前提下降低阵元辐射口径场的均匀性来降低口径效率,实现超宽的阵元波束,由此实现了 1×4元的波导缝隙列子阵。在此基础上,基于列子阵构成4×4元相控阵天线,其阵元间距为4.3mm（0.38λ0@26.875GHz）。样品测试表明,相控阵可以在24.25-29.5GHz的频带内实现大于11.6dBi的增益和大于在5G毫米波段实现了大于±62°的扫描角。3、基于列子阵结构异构的毫米波超宽角扫描相控阵天线:根据异构相控阵天线的工作原理,基于“弯折形”缝隙的宽角扫描相控阵天线,通过调整阵列天线两侧单元结构来调整其辐射波束方向,将阵元波束指向也作为宽角扫描相控阵天线的优化目标,实现了具有超宽角扫描能力的4×4元“异构”相控阵天线。基于这种新型的天线设计以及一款使用Matlab平台对HFSS仿真数据进行后处理的程序,该相控阵天线在5G毫米波段的扫描角进一步提高到±74.9°以上;与基于“弯折形”缝隙的宽角扫描相控阵天线相比,仅仅牺牲了 0.8 dBi的增益,测试和仿真结果符合较好。
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