毫米波亚毫米波平面集成反射阵和传输阵的设计研究

High-gain high-efficiency antenna is the key component for long-rang ultra-throughput millimeter-wave and sub-millimeter-wave wireless communication system, and its optimal design is the key technique that urgently needs to be solved. In millimeter-wave and sub-millimeter-wave bands, conventional planar transmission lines suffer from severe radiation loss and conductor loss, which is the bottle neck for the realization of high-gain high-efficiency antenna arrays. In addition, in these bands, the transition between the antenna and RF circuits will cause significant insertion loss, and the performance of the antenna is very sensitive to the fabrication error and installation error. Therefore, the planar integrated design of the antenna will be an effective way to overcome the above problems. Composed of quasi-periodic structures, reflectarrays and transmitarrays adopt the space feeding scheme to avoid additional complicated feeding networks and corresponding feeding loss, and simultaneously they features low profile, low weight, easy installation, and etc.. In this project, it mainly focuses on the research of the optimal design and analysis method that are suitable for millimeter-wave and sub-millimeter-wave planar integrated reflectarrays and transmitarrays, including the research on the design of substrate integrated planar antenna arrays as the feed sources, and the research of joint design of reflectarrays or transmitarrays with planar feed sources. The key factors associated with the efficiency of reflectarrays and transmitarrays will also be analyzed in order to further enhance the radiation efficiency, and prototypes of reflectarrays and transmitarrays will be fabricated for experimental verification. The expected outcomes of this project will provide theoretical base and technical support for the design of high-gain high-efficiency millimeter-wave and sub-millimeter-wave planar integrated reflectarrays and transmitarrays.

高增益高效率天线是实现长距、超高速毫米波亚毫米波无线通信的关键部件，其优化设计是亟待解决的关键技术。在毫米波亚毫米波段，传统平面传输线的辐射损耗和金属损耗显著增加，是高增益高效率天线阵列实现的瓶颈。此外，天线与射频电路之间的转接损耗大，天线特性对加工公差和装配误差极为敏感。因此，天线的平面集成和一体化设计将是解决以上问题的有效途径。基于准周期结构的反射阵和传输阵，采用空间馈电方式,可以避免复杂馈电网络和馈电损耗，同时还具有低剖面、轻量化和易安装等特点。本项目将主要研究适用于毫米波亚毫米波平面集成反射阵和传输阵的优化设计和分析方法，包括研究设计和采用基于基片集成技术的平面天线作为馈源，进行联合优化设计；同时采用解析法分析影响该频段反射阵和传输阵效率的关键因素用于进一步提高效率；并试制天线样品进行验证。预期成果将为高增益高效率毫米波亚毫米波平面集成反射阵和传输阵的设计提供理论依据和技术支撑。

近年来，毫米波和亚毫米波无线通信技术成为全球范围的研究热点，相关通信标准也在逐步制定和确立中。高增益高效率天线是实现长距、超高速毫米波亚毫米波无线通信的关键部件。由于损耗严重、效率低下，传统的天线形式和天线设计方法大多在毫米波亚毫米波频段不再十分适用。.本项目以毫米波亚毫米波频段天线为选题，选择利用空间馈电的反射阵和传输阵作为高增益高效率天线实现方式，系统地研究了平面集成反射阵和传输阵的设计方法与关键技术。主要研究内容包括：研究了毫米波亚毫米波平面基片集成天线（馈源天线）的设计方法和实现技术；研究了基于空间馈电机制的平面传输阵和反射阵的一般性设计方法、效率分析和关键技术；研究了平面集成反射阵和传输阵的系统化高效集成方法和提升效率的关键技术；在毫米波和亚毫米波频段设计并实现了大量平面馈源天线和平面集成反射阵/传输阵的实例，验证了研究所形成的设计方法和实现技术的有效性和可靠性。.本项目的重要研究成果包括：（1）首次提出并实现了平面集成反射阵和传输阵的概念，较传统反射面天线和透镜天线具有平面化结构、高集成度、可全部由PCB等技术实现，并能与有源电路一体化集成等特点；（2）形成了适用于毫米波亚毫米波平面基片集成天线的概念和关键技术；（3）形成了平面化集成反射阵和传输阵的系统化设计流程和设计方法，经大量实例验证能有效实现高增益高效率辐射；（4）面向未来5G移动通信，基于平面集成传输阵结构创新地提出并实现了采用平面多馈源的具有多波束特性的传输阵天线。.本项目研究所形成的毫米波亚毫米波天线设计理论，对于相关天线设计和未来通信系统的构建具有重要科学意义，提供了理论基础和工程指导。本项目的研究侧重于我国自主知识产权的Q-LINKPAN通信标准，研制了大量适用于该标准的天线，并与相关企业开展了合作。本项目获5项授权发明专利和2项授权实用新型专利，另申请2项发明专利，这些知识产权成果提供了产业化基础。