准三维结构的宽带多波束毫米波天线研究

Wideband multi-beam millimeter-wave antennas have attracted increasing attention in recent years since they play an important role in the millimeter-wave wireless communication systems. Most reported multi-beam millimeter-wave antennas were designed by applying various single-layered or multi-layered planar antenna elements and beam-forming networks. The use of planar structures is convenient for fabrication, but on the other hand it restricts the degree of freedom in design process, which leads to drawbacks in the radiation performance of millimeter-wave antenna elements and the achievable scale of passive millimeter-wave beam-forming networks. In this project, the method of designing devices with functions of transmitting, distributing and radiating electromagnetic power in the vertical direction of millimeter-wave multi-layered configurations will be investigated. The proposed structures can be implemented successfully by using currently available fabrication facilities. By combining the designs located in the vertical direction and the devices with planar structures together, the wideband multi-beam millimeter-wave antenna with quasi-three-dimensional geometries can be realized. The studies in this project will be focused on the millimeter-wave antenna elements with quasi-three-dimensional geometries, the millimeter-wave devices with quasi-three-dimensional geometries, and the passive multi-beam millimeter-wave antennas with quasi-three-dimensional geometries. The investigation of this project can develop novel millimeter-wave antennas with different radiation characteristics, decrease the difficulty in designing millimeter-wave passive beam-forming networks with a relatively large scale, and improve the performance of the wideband multi-beam millimeter-wave antennas, which are valuable to future application of multi-beam millimeter-wave antennas.

宽带多波束毫米波天线作为毫米波无线通信系统的关键器件之一，已成为天线领域的研究热点。目前多波束毫米波天线设计多采用具有单层或多层平面结构的辐射单元和波束形成网络，在方便加工的同时，也限制了设计的自由度，导致现有研究在天线单元的辐射特性和无源波束形成网络的可实现规模两方面都存在着明显的局限性和不足。本项目将在满足现有加工技术要求的前提下，研究利用毫米波多层平面结构的垂直维度实现电磁能量传输、分配和辐射的方法，结合垂直方向上结构与平面结构一起共同实现具有准三维结构的宽带多波束毫米波天线。项目将从理论和技术两方面研究准三维结构的毫米波天线单元、毫米波器件和无源多波束毫米波天线。本项目研究将丰富毫米波天线的种类和辐射特性，降低较大规模无源波束形成网络的结构复杂度，提升宽带多波束毫米波天线的性能水平。研究结果对未来多波束毫米天线的应用具有重要意义。

宽带多波束毫米波天线作为毫米波无线通信系统的关键器件之一，已成为天线领域的研究热点。目前多波束毫米波天线设计多采用具有单层或多层平面结构的辐射单元和波束形成网络，在方便加工的同时，也限制了设计的自由度，导致现有研究在天线单元的辐射特性和无源波束形成网络的可实现规模两方面都存在着明显的局限性和不足。本项目探索了准三维及三维集成空间内电磁波的幅相调控与辐射激发机制，提出了准三维及三维集成毫米波宽带、高增益、多波束天线结构与设计方法，提升了毫米波天线的性能水平。本项目的主要研究内容和取得的创新成果包括：1）提出了准三维结构毫米波互补源天线的带宽展宽、辐射和极化特性调控、以及增益提升方法；2）提出了基于SSPPs的微带贴片天线和环天线谐振模式激励和辐射极化特性调控方法；3）开展了矩阵类波束形成网络的毫米波准三维集成方法和拓扑结构简化方法研究，提出了水平与垂直维度基片集成间隙波导相结合的毫米波器件与天线三维集成方法；4）构建了模式复合微带线结构，提出了模式复合微带线馈电的大频比多频天线设计方法；5）研制了多种具有不同辐射特性的准三维毫米波多波束天线，在波束数量、波束形成网络小型化、辐射效率等方面实现突破；6）研究了集成化空间馈电宽带高效波束形成机制，提出了基于三维打印技术的毫米波龙伯透镜天线结构简化方法和平行板卡塞格伦天线宽角扫描方法。通过本项目研究，形成了较为系统的准三维毫米波天线单元、馈电网络、以及天线阵列的设计方法与流程，提出了多种有实际应用价值的毫米波多波束天线，完善了毫米波天线理论。发表SCI检索期刊论文18篇，包括本领域国际顶级期刊IEEE TAP论文14篇，会议论文18篇。作国际会议特邀报告7次，国内会议特邀报告1次。研制准三维结构毫米波多波束天线样品7付。获授权国家发明专利7项，申请专利5项。培养博士生7名，硕士生11名。