基于斜射多波束并行工作方法的毫米波天线阵研究

The widespread of the millimeter-wave(mmw) communication is coming with the allocations of the mmw band for the 5G mobile communication standards. As the key technology of the mmw communications, multi-beam mmw antenna array is essential for the base station coverage and establishing the strong links between the users and base stations. However, as was limited by the complicate and lossy feed networks, it remains challenges to implement multi-beam mmw antennas with the wideband, high-gain and wide coverage performance..This project proposes the Off-axis Multi-beam Parallel Working Method to integrate several of independent broadside/off-axis mmw antenna array to achieve the wideband, high-gain and wide-coverage operations. We proposes the mmw antenna designs with off-axis beams based on the mode studies on the cavity-backed antennas. We also achieved the high-gain low side-lobe level antenna array and its feed network by employing the shaped beam synthesis algorithms. Moreover, the coverage of the mmw antenna array is expanded into two dimension by the use of multi-beam parallel working method. This project aims to develop a series of novel solutions and methodologies for the next generation of telecommunications, which have a significant potential for the future applications.

随着第五代移动通信标准中毫米波频段的划定，毫米波通信将逐步进入商用阶段。多波束毫米波天线作为毫米波通信的核心技术之一，其增益和覆盖角度直接决定了毫米波通信的覆盖范围和连接可靠性。然而，目前的多波束毫米波天线受限于复杂、高损耗的复用型馈电网络设计，实现宽带、高增益、大范围的二维毫米波电波覆盖仍面临很多问题和挑战。.本项目提出斜射多波束并行工作方法在同平面上集成多个独立的宽带高增益边射/斜射毫米波天线阵，旨在实现具有宽带、高增益、易于集成化设计、大范围二维多波束无缝覆盖特性的毫米波天线阵。通过研究背腔天线斜射模式工作机理，提出多样性斜射角度的斜射毫米波天线设计方法；采用波束赋形算法对斜射天线阵馈电网络进行优化，设计低旁瓣高增益的斜射天线阵；提出通过斜射多波束并行集成方法来解决目前毫米波多波束天线阵增益波动大、覆盖范围小的难点问题。该项目为第五代毫米波通信系统的建设提供新的解决思路和方法。

本项目重点研究微波/毫米波天线的宽带、高效、宽角度覆盖技术方法，研究目标为解决5G通信应用中毫米波平面天线阵列在带宽，效率和辐射角度等方面性能受限的问题。本项目对研究多波束毫米波天线技术、高效毫米波天线技术和低损耗天线设计机制具有一定的科学意义，并以此为基础解决我国下一代通信技术领域的天线难题，又具有重要的工程意义。研究工作取得了以下重要结果：完成了宽带高增益毫米波天线的理论分析；完成了基于不均匀相位控制的斜射波束机理的宽带斜射天线阵列设计方法，完成了具有宽带特性的二维多波束毫米波天线的多波束并行工作方法。在工程应用上，本项目在宽带高增益介质谐振天线及其波束赋形方法上面有所突破：提出一种自适应宽带圆极化介质谐振天线，和一种新型电磁偶极子介质谐振天线及其无源阵列，显著改善了目前有源相控阵的扫描角度有限和增益不平稳等问题，为室内/室外Sub-6G基站提供一种无源宽角度波束扫描方法。在成果传化方面，在毫米波电力线表面波通信天线设计与其抗衰落技术上有所突破，验证了毫米波电力线通信的低损耗传播方法，并初步应用于全球能源互联研究院的中低压电网系统中，为我国毫米波通信技术的自主研制奠定了坚实的技术基础并落实了初步应用方案。