差分馈电微带天线阵列理论与技术的研究

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天线是无线传输系统中不可或缺的组成部分,它的性能会直接影响整个无线传输系统的性能,因此高性能天线的研究一直是无线传输系统研究的热点之一。随着无线传输技术的发展,射频电路与系统正在成为更复杂、更多的功能和信号转换的密集空间,因此,不同介质层电路的节点和互联处存在着较强的电磁互扰。而平衡/差分电路与单端口输入的电路相比,由于具有较好的共模抑制功能和抗干扰特性,因而在现代无线电系统中变得至关重要。差分馈电天线(Differentially-fed antenna)可直接与射频前端差分电路相连,避免了巴伦的使用,可以提高系统的传输效率;同时,结构对称的差分馈电天线可实现低交叉极化、对称且稳定的方向图特性。本论文从无线传输系统对天线的性能需求出发,针对差分馈电微带天线研究的热点和难点问题,开展了深入的研究工作。本论文的创新性工作主要以论文的发表和专利的申请来体现,主体内容可以概括如下:  1.低交叉极化差分馈电微带天线阵列的研究:提出天线单元为差分馈电和天线阵列为差分馈电(单元为单端口)这两种差分馈电天线阵列形式,然后分析了有无馈电网络情况下差分信号幅度和相位的一致性对两种天线阵列性能的影响。研究表明,微带馈电的单端口天线组成的差分馈电阵列具有较为简单的馈电网络,同时具有较高的增益和良好的辐射方向图特性。在此基础上,提出了L型结构馈电的宽带微带天线单元,并将差分馈电技术应用于该天线单元组成的阵列中,实现了宽带、低交叉极化和对称的辐射方向图特性。这部分研究成果已经在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters期刊和2013Cross Strait Quad-Regional Radio Science and Wireless Technology Conference(CSQRWC)会议上发表。  2.高次模SIW馈电的紧凑型差分微带天线阵列的研究:充分利用SIW模式分布特性,首次提出一种适用于毫米波频段的TE20模SIW馈电的微带天线单元结构;充分利用多层PCB结构,提出基于SIW结构的立体紧凑型串并联差分馈电天线阵列的馈电网络,采用阵列中心馈电的形式,减小了天线整体尺寸。在此基础上,设计了Ka波段4×4串并联差分馈电微带天线阵列,实验表明其具有良好的阻抗匹配特性以及稳定的低交叉极化和辐射方向图对称性。最后,提出了一种改进型4×4串并联差分馈电微带天线阵列,实现了天线单元和阵列均为差分馈电的天线阵列结构。上述研究为差分馈电技术在大型天线阵列中的应用提供了行之有效的解决方案。这部分工作已经投稿IEEETransactions on Antennas and Propagation期刊(Major Revision)。  3.表面波抑制的高增益毫米波差分馈电微带天线阵列的研究:结合LTCC多层工艺,采用软表面结构来抑制差分馈电天线阵列中的表面波,提高差分馈电毫米波天线阵列的增益。首先,提出软表面结构的等效电路模型,能够快速提取软表面结构的阻带特性,可以用于辅助指导软表面结构的设计及最佳方案优化。然后,将差分馈电技术应用于L型结构馈电的宽带微带天线单元组成的60GHz毫米波天线阵列中,改善天线阵列的增益稳定性、辐射方向图对称性和交叉极化水平。最后,将软表面结构应用于该差分馈电微带天线阵列中,进一步提高天线阵列的带宽和增益。实验验证了所提出的加载软表面结构的差分馈电微带天线阵列具有高增益、高效率、低交叉极化及稳定的辐射特性。这部分研究成果已经在IEEE Transactions on Antennas and Propagation期刊和2015年Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation上发表。  4.高选择性差分馈电微带天线的分析与设计:提出基于半波长谐振器的巴伦滤波结构,将其与缝隙耦合的差分馈电微带天线相结合,实现了同时具有辐射和滤波特性的差分馈电滤波天线,该结构带内增益平稳,带外选择性较好。另外,结合SIW谐振腔实现了一个差分滤波功分网络,并将其应用于差分天线阵列的馈电中,实现了毫米波频段的差分滤波天线阵列。实验表明所提出的两个差分滤波天线都具有较好的选择特性。这部分工作为采用差分馈电天线与滤波特性馈电网络协同设计来实现高选择性的差分滤波天线提供了一定的参考价值。
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