Ku频段宽带相控阵天线技术研究

阵列天线易于实现高增益、波束扫描及波束赋形等功能,成为现代无线通信、导航、雷达等信息系统收发信号的主要手段。为满足高速率、广覆盖、多功能等发展需求,现代无线信息系统要求阵列天线具有宽工作带宽、宽角波束扫描能力及平面化、低剖面等特性。为此,文中以Ku频段、低剖面、宽频带相控阵天线为研究方向,基于微带天线宽带化技术、L型探针耦合馈电技术及加载等效腔体结构,开展微带天线的宽带化和相控阵天线的宽角扫描技术研究。文中提出了一种基于L型探针耦合馈电结构的具有宽带、宽角扫描能力的8×8阵列天线。实测结果表明,在VSWR<3时,在13.0～18.0 GHz阻抗带宽内(相对带宽为32.3%),该阵列天线在E面和H面均可实现±60°的扫描覆盖范围。实测结果和仿真结果具有较好的一致性。     

基于SICL的宽频带毫米波多波束阵列天线设计

为实现第五代移动通信技术(5G)毫米波阵列天线的多波束扫描,提出了一种基于基片集成同轴线(Substrate Integrated Coaxial Line, SICL)的宽频带毫米波多波束阵列天线。多波束阵列天线主要包括基于SICL的宽频带毫米波罗特曼透镜和基于SICL馈电的宽频带磁电偶极子天线,罗特曼透镜腔体采用平板波导结构,移相段采用非色散结构SICL,设计了一种平板波导透镜腔体和SICL移相段的宽频带匹配结构实现宽频带罗特曼透镜。采用SICL耦合馈电的宽频带磁电偶极子天线作为多波束阵列的辐射单元,易于直接与基于SICL的罗特曼透镜连接使用,可实现宽频带波束扫描。基于此设计了一种7个波束端口、9个阵列单元的宽频带多波束阵列天线。仿真结果表明,该罗特曼透镜的-10 dB阻抗带宽约为42%(20.5～31.5 GHz),磁电偶极子天线的-10 dB阻抗带宽约为45%(20.5～32.5 GHz),组成的多波束阵列天线在20.5～31.5 GHz(约42%)频带内可实现±30°的波束扫描,天线结构简单紧凑、剖面低、易集成且能实现宽频带波束扫描,适用于5G毫米波通信。     

双频段双极化共孔径阵列馈源反射面天线设计

介绍了一种新型Ku/Ka双频段双极化共孔径阵列馈源偏馈抛物柱反射面天线的设计。在双频段双极化共孔径阵列馈源设计中,Ka波段采用裂缝波导阵,并且位于共孔径馈源阵列的下层,双极化Ku波段采用微带贴片天线、位于共孔径阵列馈源的上层。文中给出了该双频段双极化共孔径阵列馈源的设计及测试结果,并将该测试结果代入偏馈抛物柱反射面天线中在FEKO软件平台上进行了半实物仿真,仿真结果表明,该双频段双极化共孔径阵列馈源偏馈抛物柱反射天线实现了如下设计目标:Ku波段双极化水平面扫描范围为±17°,两个主面副瓣电平优于-30dB,Ka波段水平面扫描范围为±10°,两个主面的副瓣电平优于-30dB,双频段双极化两个主面的波瓣宽度和波束指向完全匹配。     

一种毫米波宽带宽波束双极化微带天线

针对宽波束天线在5G毫米波宽角扫描阵列的应用,设计了一款基于接地金属柱的毫米波双极化微带天线单元。该天线具有低剖面、宽带、宽波束等优点。天线采用双“H”型缝隙耦合馈电,通过寄生贴片与开槽基板共同辐射展宽波束宽度,通过调节接地金属柱结构改变输入阻抗展宽阻抗带宽。实测结果表明,该天线的3 dB波束宽度在24.5～27.5 GHz的频带内(电压驻波比小于1.8)均大于130°,交叉极化比大于18 dB,两个端口之间的隔离度在频带内均高于26 dB。测试结果与仿真结果吻合较好。     

双极化全金属Vivaldi三角栅格阵列设计北大核心CSCD

本文设计了一个超宽带宽角扫描双极化三角栅格阵列天线，天线采用全金属Vivaldi结构。相较于相同最佳采样的矩形栅格阵列天线而言，采用三角栅格布阵，可以大大减少天线单元数量，降低天线成本。但由于三角形栅格布阵的不对称性，两个极化不完全正交，导致在E面和H面有相比于矩形栅格阵列更高的交叉极化。对基于此结构的无限大阵列进行仿真，该相控阵天线工作带宽9:1(2～18GHz)，端口隔离度大于20db，在有源VSWR小于3的情况下，D面、H面扫描角达到±45°，E面扫描达到±30°。     

伞形印刷偶极子天线设计

针对数字阵列雷达设计了一种伞形印刷偶板子天线单元.该天线由微带集成巴伦馈电,具有宽频带、宽波束、易于集成等优点.通过仿真和测试,表明该天线有40％的相对带宽,E面波束宽度为80°,H面波束宽度为135°.     

一种宽带双极化波导阵列天线的设计

设计了一种适用于雷达、通信等领域的宽带双极化波导阵列天线。天线的垂直极化信号通过波导阻抗变换直接馈电实现,水平极化信号通过由垂直极化信号馈电、缝隙耦合的方式实现。设计的阵列天线在12 GHz～15 GHz的频带内驻波比小于2,交叉极化低于25 dB,单元增益在带内大于8 dB,波束宽度大于60°。加工天线后实测结果与仿真结果吻合,该种阵列天线既适合固定波束阵列天线,又适合具有相扫功能的阵列天线。     

一种特殊波束的8mm波导缝隙阵列天线

给出了一种特殊波束的矩形波导宽边缝隙行波阵列天线的设计方法,对缝隙单元的等效阻抗、行波阵列的设计方法进行了详细讨论,阵列馈电采用三角形口面场分布克服了常规口面场分布所带来的馈电电压差别太大的缺陷,有利于工程实现.给出了16个缝隙天线的馈电电压分布及缝隙的位置.通过介质加载来提高天线E面的波束宽度.所设计的天线阵H面波束半功率波瓣宽度为10°,副瓣电平为-20.4dB,E面6dB波束宽度为210°.     

超宽带机载雷达天线的研究与设计

根据现代雷达系统的要求,设计制作了一种具有宽带宽波束扫描特性的椭圆单极子天线.分析了天线的阻抗特性、辐射特性以及表面电流分布特性.测量结果表明,该天线的有效工作带宽为1.65 GHz ～ 13.15 GHz,方位面实现了全向辐射,俯仰面3 dB波束扫描范围大于60°.天线体积较小,结构简单,加工方便,适合应用于超宽带雷达系统的天线单元.     

宽波束±45°双线极化偶极子天线阵列设计

针对宽波束天线在移动通信中的应用,实现偶极子阵列天线的宽角域扫描覆盖,设计了一款宽波束天线单元以及1×16相控线阵。采用正交对称振子结构实现±45°方向辐射,振子采用椭圆环结构实现了宽阻抗带宽和宽波束,通过加载梯形结构降低了频段和实现小型化。实测结果表明,天线单元在6.425～7.125 GHz的频带内电压驻波比小于1.3,具有38.8%的相对阻抗带宽,在工作频带内其端口隔离度优于28 dB,3 dB波束宽度在频带内均大于126°,能够很好满足现阶段对阵列天线小型化、宽频带以及宽角域扫描的要求,在移动基站等领域有广阔的应用前景。     

低互耦星载相控阵天线设计

介绍了一款工作于Ku频段的低互耦星载相控阵天线的设计方法, 采用在阵列单元周围加载金属腔体的方式降低阵列单元之间的互耦效应, 从而改善相控阵天线的方向图扫描特性.针对相控阵天线在二维±60°范围内低副瓣波束扫描的特点, 对5×5子阵和16×16阵列进行了研究, 验证了阵列的互耦降低方法的有效性和电性能.研究结果表明:相控阵单元间互耦小于-16 dB, 而相控阵单元在15.1~16.8 GHz电压驻波比小于2, 相对带宽11%;在频率为f₀±500 MHz范围内, E面3 dB波束宽度大于98°, 5 dB波束宽度大于113°, H面3 dB波束宽度大于113°, 5 dB波束宽度大于122°.在仿真设计的基础上, 研制了子阵天线试验样机, 测试结果与设计结果吻合良好, 证明了降低互耦方法的有效性, 天线单元方向图满足在±60°范围内波束扫描的要求, 可应用于相控阵雷达系统.     

一种超宽带、大扫描角Vivaldi天线阵列

设计并加工测试了一款双面Vivaldi天线.通过结构优化, 提高了馈电效率和阻抗带宽, 并在组阵后显著降低了阵元间的互耦.实测结果表明该天线可以实现在2~8 GHz的频带内回波损耗(Return Loss, RL)小于-10 dB, 平均增益大于5 dBi.并采用“交错排列”的思路, 将所设计的双面Vivaldi天线组成超宽带阵列.此种方式可以有效解决天线尺寸和最佳阵列间距之间的矛盾, 进而抑制栅瓣, 增大波束扫描角范围.仿真分析表明, 在4~6 GHz时, E面交错阵列比普通一维阵列的扫描角范围提高20°左右.     

一种适用于LTE和Sub-6 GHz频段的宽带双极化基站天线

提出了一种适用于LTE和Sub-6 GHz频段的紧凑型双极化基站天线辐射单元,辐射振子臂采用1.2 mm板厚的FR4基板双层印制工艺。利用在双极化辐射单元上方加载寄生单元的方式来扩展天线工作频带。实物测试结果显示天线工作频段可连续覆盖LTE(1.8 GHz^2.7 GHz)和5G的Sub-6 GHz频段(3.3 GHz^3.7 GHz),带内电压驻波比小于1.8,隔离度大于20 dB。天线最高增益为9.42 dBi,半功率波束宽度为60°±9°。测试和仿真结果吻合较好。可应用于4G和5G移动通信基站。     

一种新颖可控陷波特性的超宽带天线

设计了一种具有可控陷波特性的超宽带天线,有效抑制了超宽带通信系统与窄带通信系统之间潜在的干扰。该天线的尺寸仅为3.5 cm×3.5 cm×0.1 cm,使用微带线进行馈电,并通过在天线单元上加载支节,从而实现天线可控陷波特性。利用仿真软件HFSS对天线进行计算,对天线的阻抗、方向图特性进行仿真对比。仿真结果表明,天线在超宽带系统3.1 GHz~25 GHz工作频段内的电压驻波比（VSWR）小于2,在5.2 GHz~5.8 GHz频率范围内的滤波特性较好,有效降低了无线局域网系统对超宽带系统的影响,在工作频段内该天线的辐射方向特性和方向图特性都较为理想。     

一维液晶全息编码相控阵天线设计与实现

针对小型极化相控阵雷达精确信号目标探测应用背景,为降低传统T/R相控阵天馈系统设计及调试复杂度,满足低功耗、低损耗、低成本制造、轻薄等应用需求,提出了一种液晶全息编码相控阵天线.主体采用小型化全息辐射单元、慢波结构、平行板波导馈电系统构成的一维全息电控扫描相控阵天线,利用成熟液晶面板制造工艺,通过控制全息辐射单元下方液晶分子的偏转状态调节天线谐振频点,组成全息编码相控阵天线.天线结构通过仿真优化确定,并在实物加工和测量基础上通过全息优化算法及电压灰度控制降低由耦合作用引入的副瓣性能恶化度,用梯度递减的搜索算法结合适当的目标函数优化算法实现方向图的最优控制.实测结果表明,该天线的波束扫描角度达到±49°,经过算法优化后,波束指向角准确度改善3°,旁瓣抑制电平改善1.7 dB.     

一种超宽带长槽阵列天线单元设计

针对地面对长槽阵列天线阻抗带宽的影响问题,设计出一种在激励偶极子上实施加载的超宽带长槽天线,其阻抗匹配带宽显著增加,最终得到了超过3. 5:1 的阻抗匹配带宽;在扫描范围内具有稳定辐射特性。该天线具有超带宽、剖面低、易共形等特点,在超宽带小型化相控阵天线中有良好应用前景。     

基于集总电阻加载吸波器的紧耦合超宽带天线

基于集总型电阻频率选择表面吸波器,设计一款超宽带紧耦合天线阵列。在天线阵列与地板之间加入两层结构集总型电阻频率选择表面吸波器,改变天线与地板之间的传输特性,有效抑制天线短路零点出现,扩展天线带宽;同时利用天线间强耦合效应,减小天线单元结构尺寸。使用集总电阻和金属环构成的吸波器代替常规阻抗型频率选择表面结构,降低天线阵列设计与加工难度,同时可有效改善天线阻抗匹配。仿真实验表明,通过调节集总频率选择表面吸波器物理结构、加载电阻阻值和天线间耦合电容值等参数,当天线单元驻波比小于3 时,可实现带宽范围达12.6:1 (1.5～19 GHz)的超宽带性能;并在2.2～18.3 GHz 范围内具有驻波比小于2 的良好匹配性能。     

一种基于紧耦合结构的超宽带天线阵列设计

设计了一种超宽带紧耦合天线阵列,该超宽带天线由两层印刷有偶极子单元的周期结构构成,上层互不相连的偶极子单元为寄生层,下层在E 面增加了强耦合结构的偶极子单元为辐射单元层。馈电网络由Marchaned 巴伦和宽带Wilkinson 功分器组成。仿真结果表明:天线法向辐射时在0.9 GHz ~4.8 GHz 内具有良好的阻抗匹配带宽(VSWR<2),在1 GHz ~4 GHz频段内可以实现E 面60度、H 面45度的扫描范围。该天线具有超带宽、大扫描角、轻薄化等特点,在超宽带小型化相控阵天线中有良好应用前景。