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随着现代无线通信技术的迅速发展和广泛应用,对无线通信系统在小型化、高速率、集成化以及多功能化等方面均提出了更高要求。可重构天线技术能够在不增加天线数量的情况下,通过电子、机械、材料等手段改变天线的工作频率、极化以及方向图等特性,可以使用单一天线实现多个天线的功能,能够极大改善系统的整体性能,且有利于系统的小型化和智能化。因此,对可重构天线技术的研究具有十分重要的理论和现实意义。本文紧紧围绕“无线通信系统中可重构天线与阵列关键技术”这一研究主题,开展了深入研究,取得了如下主要研究成果:一、提出了一种具有方向图可重构特性的宽带平面天线设计方法,并实现了两种方向图可重构阵列天线的研制。首先,基于基片集成腔体和层叠贴片结构,提出了一种新型宽带平面天线,其相对带宽可达到13.6%。在此基础上,利用基片集成腔体的结构对称性,在天线单元基片集成腔体的两条对边中心引入两个馈电端口,实现了宽带180°馈电相位差。基于该宽带天线单元设计了一个2?2天线阵列,通过对每个天线单元馈电端口的控制,实现了天线阵列的方向图重构功能。其次,为了进一步拓宽天线阵列的工作带宽并获得更多的波束重构状态,对以上天线单元进行了改进,并将天线阵列扩大至4?4。改进后天线单元结构由寄生贴片层、驱动贴片层以及馈电网络层组成,两个馈电端口由从馈电网络层穿过金属地到驱动贴片层的探针构成。该4?4天线阵列具有21.4%的相对带宽和多组可切换的波束状态,并且在整个工作频带内具有稳定的辐射方向图。相关研究成果已发表在国际核心期刊IEEE Access和国际会议IEEE IMS 2017上,并已申请国家发明专利。二、提出了四种极化可重构天线设计方法,并分别实现了相应天线的研制。首先,提出了一种三极化可重构平面天线的设计方法。通过在背腔缝隙天线中引入一对对称的可控短路孔,对腔体中的电磁场进行扰动,从而产生幅值相等且相位差为90°的两组正交模式,进而实现圆极化。根据结构对称性,当两个短路孔分别接地时天线工作在两种不同的正交圆极化状态,当两个短路孔均断开时,天线工作在线极化状态。基于该天线单元设计了一个2?2天线阵列,通过对每个天线单元的状态控制,该天线阵列可以在线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间进行切换。接着,为了获得更多极化重构状态,提出了一种宽带四极化可重构天线阵列。在宽带贴片天线基础上,基于线极化合成原理,使用四个依次旋转90°的天线单元组成了一个2?2天线阵列。通过对每个天线单元馈电端口的控制,该天线阵列可以在垂直线极化、水平线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间切换。然后,为了降低斜切平面上交叉极化,提出了一种四极化可重构天线。该天线结构主要包括贴片层、馈电网络层、电磁超表面层以及四个馈电端口。通过选择不同的馈电端口,实现了垂直线极化、水平线极化、左旋圆极化和右旋圆极化。该天线具有较宽的工作带宽和较好的极化特性,并且斜切平面上交叉极化得到了有效抑制。最后,在互补偶极子端射圆极化天线基础上,引入了两对关于馈线对称的可控电偶极子。通过对电偶极子的控制,实现了对端射天线极化的重构。在此基础上,利用背靠背放置的两个端射天线单元组成了一个双向辐射1?2天线阵列。通过控制每个天线单元的状态,该天线阵列可以在左旋圆极化和右旋圆极化之间进行切换,并且双向辐射的极化特性一致。相关研究成果已发表在国际核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.、IEEE Access、IEEE Antennas Wireless Propag.Lett.和国际会议IEEE ICUWB 2016、IEEE IWAT 2017上,并已申请国家发明专利。三、提出了一种频率和极化混合可重构贴片天线设计方法,并实现了相应天线的研制。首先,通过在方形贴片中引入可控短路孔,由于短路孔接地时所带来的电感效应,控制短路孔的接地状态,可以改变天线的谐振频率。其次,在方形贴片四个拐角引入两对可控微扰小贴片,通过扰动产生幅值相等且相位差为90°的两组正交模式,进而实现圆极化。根据结构对称性,两对微扰小贴片分别接通时天线工作在两种不同的正交圆极化状态,当两对微扰小贴片均接通或断开时,天线工作在线极化状态。根据控制状态的不同,可以独立的对工作频率和极化状态进行重构,并且天线在所有工作状态下均具有较好的极化特性和较稳定的峰值增益,增益波动值为1.8dB。相关研究成果已发表在国际核心期刊IEEE Access上,并已申请国家发明专利。四、提出了一种极化和方向图混合可重构天线阵列设计方法,并实现了相应阵列天线的研制。首先,针对圆极化天线提出了空间旋转移相技术,该技术不仅能实现对天线阵列方向图的重构,而且能够大幅度的展宽轴比带宽。其次,为了应用该技术,设计了一种三端口圆极化可重构天线单元。其结构主要包括寄生贴片层、驱动贴片层以及馈电网络层,通过选择不同端口馈电可以实现90°或者180°移相,同时在驱动贴片中引入两对可控切角并通过控制其状态实现对极化的重构。最后,基于该天线单元实现了一个2?2天线阵列,通过对每个天线单元馈电端口和极化的控制,可以实现对该天线阵列的波束二维切换和极化重构。而且当波束从法向切换至其他方向时,轴比带宽得到了明显的改善。相关研究成果已发表在国际核心期刊IEEE Trans.on Antennas Propag.和国际会议IEEE IWS 2018上,并已申请国家发明专利。