面向毫米波应用的双层高性能平面透射阵天线技术研究

Transmitarray antennas are one of the most attractive research areas in high-gain antennas in recent years, due to its favorable features derived from both lens antennas and microstrip arrays, such as high gain, high efficiency, flexible radiation performance, low-profile and easy integration. The millimeter wave transmitarrays usually adopt at least three layers as the double-layer design cannot provide a good performance. Therefore, it is desirable for a novel double-layer transmitarray with good phase and magnitude performances. The research project aims for the millimeter wave application, theoretical model of novel double-layer transmitarray element will be studied and the frequency selective surface and multi-resonant structure are employed to extend the element’s phase range. This new design will solve the problems of transmitarray antenna, propel the technical innovation and industrialization application of millimeter wave transmitarray antenna. So this project will have an important scientific research value and wide application prospect.

近年来，平面透射阵天线作为一种新型高增益天线引起了广泛关注。它结合了微带天线阵和透镜天线的优点，例如高增益、高效率、灵活的辐射方向图、低剖面和易集成。现有的高性能毫米波平面透射阵天线普遍采用至少三层结构，这是因为双层毫米波平面透射阵天线无法提供足够的相位补偿范围，导致天线性能恶化。针对这种现状，亟需研发一种简易结构的高性能毫米波透射阵天线。本课题面向毫米波天线应用，研究新型双层毫米波透射阵天线单元的理论模型，采用频率选择表面和多谐振结构技术扩展双层单元的相位补偿范围，实现了良好的口面效率。这种新型设计解决了平面透射阵天线领域普遍存在的技术难题，推动了毫米波平面透射阵天线的技术创新和产业化应用。因此，本课题研究将具有重要的科学研究价值和广泛的应用前景。

近年来，平面透射阵天线在世界范围内引起了广泛的关注。平面透射阵天线结合了光学透镜和平面天线阵列的特点，具有低剖面、低成本和易共形等优势。通过独立设计平面透射阵天线口面的各个单元，可以实现高增益单波束、多波束等多种辐射性能。本项目首先研究了基于互补性结构的双层透射阵天线单元，采用双参数结构设计提升相位调节自由度，有效改善单元相位调节性能，实现了305°相位补偿范围，在正入射条件下保持传输幅度在-1个dB以内；基于这种高性能双层透射阵单元，本课题相继设计了单波束高增益平面透射阵天线和四波束高增益平面透射阵天线，其中单波束平面透射阵天线在60.5GHz实现了40%以上的口面效率和33.1dBi的天线增益，辐射方向图具有良好的单波束特性，以及较低的副瓣电平和交叉极化电平。四波束平面透射阵天线在60.25GHz实现了30%以上的口面效率和27dBi的峰值增益,每个波束辐射方向偏离口面法线方向25°。本课题提出的双层设计有效提升了透射阵天线的性能，大幅度降低了透射阵天线的结构复杂度，节约了制造成本和安装空间。该工作拓展了平面透射阵天线的研究领域，为双层调相单元设计提供了新的研究方向。