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社会经济的发展深刻地改变着人们之间的通信方式。高度集成化和功能的不断外延,使得手机已不限于人与人之间的通信,而是逐渐成为连接任何人与物的工具。为了应对日益增长的通信流量,发展新一代(5G)无线通信技术就显得非常必要。5G将是多种技术多种体制的融合,而且将扩展到毫米波频段,因此大幅度提高系统集成度将成为关键技术途径。射频与天线是无线系统中的关键子系统和部件,其性能优劣和集成度将直接影响系统的性能和集成度。在毫米波频段,传统的立体金属波导显然不再适合上述要求。因此,平面化的毫米波无源元件和天线就变得至关重要。本论文主要基于近十几年发展起来的基片集成波导(SIW)技术,针对下一代无线通信技术,研究并实现高性能的毫米波无源元件与天线。论文的安排如下:第一章简要介绍了一些关键无源射频元件与天线的背景、当前无线通信所面临的挑战和本论文的研究目标与内容。第二章提出了一种具有宽带和高增益特性的背腔互补三角形环(TCSRS)天线。SIW腔用于激励TCSRS天线。首先针对单元天线进行了原理研究,然后扩展到阵列。针对28 GHz和45 GHz 5G候选频段采用0.508mm厚的Rogers5880微波基片进行了设计和实验验证。在28 GHz和45 GHz频段分别获得了 16.67%和22.2%的阻抗带宽;2×2天线阵在30 GHz和50 GHz测得的峰值增益分别为13.5 dBi和15 dBi。基于双层板结构和缝隙耦合又进一步将TCSRS天线扩展到2 × 4阵列,在48 GHz上获得的最大增益为16.28 dBi。这部分工作已发表在IEEE Trans.on Antennas and Propagation.第三章提出了一种45 GHz频段双层板缝隙耦合2 × 2和4 × 4微带天线阵。实测的2× 2阵列天线的阻抗带宽为25%、3dB增益带宽为19%、峰值增益为14 dBi;4×4天线阵的阻抗带宽为30%、3 dB增益带宽为18%、峰值增益为17.4 dBi.第四章基于SIW技术提出了一种背腔圆极化圆形贴片(CB-(CP)2)天线,其圆形贴片谐振在TMu主模,SIW矩形腔谐振在其TE101主模。为了产生圆极化,圆形贴片天线与SIW腔的上表面通过两个几乎垂直的金属带连接。在Ka波段实现了 9.5%的阻抗带宽和2%的3 dB轴比(AR)带宽,在33.8 GHz上的峰值增益为8.1 dBi。在此基础上,通过增加更多的谐振槽又扩展实现了双频段双圆极化天线。这部分工作已录用并将发表在Wiley Interscience,Microwave and Optical Technology Letters.第五章提出了一种简单的宽带三端口正交模耦合器(OMT)结构。该结构不需要短路销钉、金属隔板或金属角锥等。三端口包括:2.54mm×2.54mm的方波导端口和两个正交放置的2.54mm× 1.27mm WR-10矩形波导端口。在70-95 GHz频段进行了设计和测试,带宽达到30%,仿真的插损小于0.3dB,极化隔离优于35dB。这部分工作发表在IEEE International Wireless Symposium 2015.第六章利用SIW腔的二阶凋落模提出了一种新颖的双频段滤波器,采用厚度为0.508mm的Rogers RT/Duroid 5880基片在Ka波段进行了实验验证。两个频段中心频率比为(FR)为1.073,测试的两个频带带内回波损耗优于-15dB,频带隔离度优于40dB。这部分工作发表在IEEE 2015 Asia-Pacific Microwave Conference.