毫米波宽带高增益天线(阵列)研究文献综述

 2022-09-25 16:18:08

文献综述(或调研报告):

根据工作频带和高数据传输速率的要求,毫米波通信近几年在工业和科研领域引起了广泛关注,同时对5G无线传输来说也是有广泛发展前景的技术。在已有的毫米波频带中,有一项新批准的无线通信协议(45GHz)802.11aj,这也是中国的毫米波标准,它涵盖42.3~48.4GHz的频带。在2015年世界无线通信会议上,Q波段也被选为5G移动通信的研究频段。人们对Q波段进行了大量研究,尤其是提出多种具有优良特性的毫米波应用天线。据此,毫米波频段的天线迭代更新速度被大大加快,对低耗材,工作频带宽和高效率的需求也大幅提升。

基片集成波导(SIW)技术使一个完整的电路成为可能,包括对平面电路、转换器和矩形波导使用标准印刷电路板或其他平面处理技术以平面形式制造而成。基片集成波导同时兼具波导的功率容量大和平面电路紧凑的特性,因此广泛用于微波毫米波平板集成元器件和天线等设计中。

在主模传输的条件下,SIW的宽度w与等效的矩形波导的宽度weff为[6]:

(1)

其中d为SIW金属过孔的直径,s为相邻两个过孔圆心间距离。当s/d小于d/w时,公式(1)精度比较高。SIW内部的电磁场分布与矩形波导类似。因此可以在SIW的宽边金属上开出斜缝,切割表面电流,即可以将电磁能量向外辐射[8]。在SIW表面开缝隙通常有两种情况。在宽边开纵向和横向缝隙。当在宽边上开纵向缝隙,可以有效产生辐射。这样的一个横向缝隙结构可以等效为一段特性导纳为G0的传输线并联一个导纳Y,根据[7]中的公式推导可以得到谐振频率fc与缝隙的长度l_slot和缝隙中线距SIW中线的偏置offset有关。从而可以通过调整l_slot和offset实现阻抗匹配,降低S11

与此同时,SIW功率分配器在微波毫米波电路中也有重要的作用。功率分配器的工作带宽,插入损耗,回波损耗等参数直接影响到整个毫米波电路的性能。SIW功率分配器具有尺寸紧凑,加工成本低等特点。[7]中简要介绍了两路T型SIW功率分配器,利用它可以构成多种2N功率分配器。在T型SIW功率分配器中通常会在SIW的分路口加入金属过孔,以此来调整功率分配并抑制功率反射。过孔的等效模型呈感性,可以通过调节过孔的直径和位置优化电路参数。此外,由于元件尺寸的限制,需要改变SIW的走向,此时也需要在直角处加上金属通孔进行阻抗匹配。

上述是对SIW在平面缝隙天线的基本应用以及SIW功率分配器的结构做简单的介绍,下面将对几种SIW缝隙天线的设计做综述。在[1]中设计了一种Q波段的SIW圆极化缝隙天线。这种天线的特点在于,利用下层的SIW中心同轴馈电网络,实现4路功分器的功能,并且通过改变电长度调节不同上层馈电端口的相位差。[1]中通过在底层与上层之间开缝实现电磁能量耦合,并在距缝隙一定距离的位置插入贯穿上下衬底的金属壁,实现短路以保证能量的高效耦合。由于金属壁的存在,耦合到上层的电磁能量只会沿着SIW向上层缝隙位置处传播。再加上上层由3dB耦合器构成的1times;2子阵列,实现了4times;2的圆极化阵列。[1]中耦合的方式是通过在SIW宽边上开横向缝隙。

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