【摘 要】
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毫米波频段由于其极宽且未开发频谱已成为工业和学术界研究的热点,特别是毫米波相控阵天线,可实时改变波束方向或者形状,可很好满足无线系统大带宽、抗干扰、增强覆盖等需求。然而,传统的毫米波相控阵天线往往扫描角度受限或大角度扫描时增益下降严重。针对这一问题,本文设计了三种不同的宽角扫描相控阵天线,特别提出了基于阵元波束异构的相控阵天线的思想,并根据这一思想设计了两种毫米波宽角扫描相控阵天线。具体研究内容如
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毫米波频段由于其极宽且未开发频谱已成为工业和学术界研究的热点,特别是毫米波相控阵天线,可实时改变波束方向或者形状,可很好满足无线系统大带宽、抗干扰、增强覆盖等需求。然而,传统的毫米波相控阵天线往往扫描角度受限或大角度扫描时增益下降严重。针对这一问题,本文设计了三种不同的宽角扫描相控阵天线,特别提出了基于阵元波束异构的相控阵天线的思想,并根据这一思想设计了两种毫米波宽角扫描相控阵天线。具体研究内容如下:1、基于超表面的毫米波宽角扫描相控阵天线:采用非周期超表面来控制阵元口径场的分布,改善低剖面下的阻抗匹配,实现宽带列子阵。基于该列子阵,设计了一种具有一维扫描能力的4×4平面相控阵天线。此外,在列子阵之间引入“（?）”型耦合结构,以降低阵列表面的口径场均匀性,从而提高沿扫描方向的3d B波束宽度,实现了较宽的扫描范围。仿真结果表明,在5G毫米波频段（24.25-29.5GHz）内,该相控阵天线的3d B增益滚降扫描范围均可大于±55°且最大可达±60°。实测结果与仿真基本吻合较好。2、基于波束异构加长平面口径阵元的毫米波相控阵天线:为提高传统相控阵天线的扫描性能,提出了基于阵元波束异构的相控阵天线思想。利用阵元方向图的多样性所提供的设计自由度,突破传统相控阵天线扫描范围的限制。基于该思想,首先设计了加长平面口径天线阵元,通过沿着一个维度拉伸口径,在宽带内实现了稳定且高增益的辐射,并且通过对阵元结构的调整,可实现对波束倾角的控制。在此基础上,利用具有不同波束倾角的加长平面口径天线阵元作为波束异构阵元来取代传统列子列,构成1×4元的宽角扫描相控阵天线。测试结果表明,在5G毫米波频段（24.25-29.5GHz）内,该相控阵天线的3d B增益滚降扫描范围均可大于±62°且最大可达±68°。3、基于波束异构PIFA阵元的毫米波相控阵天线:为进一步提高扫描性能,基于阵元波束异构的相控阵天线思想,将两元阵元波束异构改成四元异构,进一步提升了设计的自由度。首先,设计了一种波束异构可设计的PIFA天线,其3d B波束宽度大于125°,且通过改变地尺寸实现对波束方向的调控。在此基础上,基于波束异构PIFA阵元构成了4×4宽角扫描相控阵天线。同时,阵列采用对称馈电的方式来保证结构和激励的对称,从而保证相反方向的扫描性能一致。仿真结果表明,在5G毫米波频段（24.25-29.25GHz）内,该相控阵天线的3d B增益滚降扫描范围均可大于±65°且最大可达±70°。实测结果与仿真基本吻合较好。
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