【摘 要】
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随着终端设备用户场景的高度多样化,人们对于无线蜂窝系统及其相关的移动天线配置要求越来越高。传统的移动通信频段资源非常有限,很大程度上限制了数据的传输速率和传输容量,而毫米波技术将会成为未来提高数据传输速率与容量的关键。同时,随着封装与集成技术的进步,终端毫米波天线逐渐与射频组件以及芯片模块等集成于一体,针对零净空端射天线的研究随之成为热门。本文根据5G终端毫米波天线的实际背景需求,结合目前的发展趋
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随着终端设备用户场景的高度多样化,人们对于无线蜂窝系统及其相关的移动天线配置要求越来越高。传统的移动通信频段资源非常有限,很大程度上限制了数据的传输速率和传输容量,而毫米波技术将会成为未来提高数据传输速率与容量的关键。同时,随着封装与集成技术的进步,终端毫米波天线逐渐与射频组件以及芯片模块等集成于一体,针对零净空端射天线的研究随之成为热门。本文根据5G终端毫米波天线的实际背景需求,结合目前的发展趋势,从基础理论出发,先后研究与设计了三款5G毫米波端射天线,主要工作包括:首先,本文设计了一款多频段毫米波水平极化阵列天线,具有小型化、高增益及波束扫描等特性。基于尺寸、带宽和方向图的综合考虑和权衡,优选微带准八木天线形式作为天线单元,-10dB天线阻抗带宽为23.81GHz-32.40GHz与36.91GHz-45GHz,可以完全覆盖n257、n258以及5G可选频段,端射方向上带内增益均大于4dBi。1×4均匀直线阵列天线在端射方向上带内增益均大于9dBi。当天线工作在27GHz时,波束扫描范围为±64°,最大辐射增益为9.13dBi;42GHz时,波束扫描范围为-46°～+25°,最大辐射增益为10.26dBi。其次,为确保端射天线在零净空环境下具有较好的端射特性,本文基于斯涅尔折射定律,设计了一款具有完整地板的端射毫米波天线。利用电磁波通过不同介质层间时产生的折射现象控制波束指向,从而解决零净空端射天线常见的波束上翘问题。天线单元的工作带宽为24.25GHz-29.5GHz(22.22%),端射方向上带内增益范围为4.1dBi-6.15dBi。基于单元结构形式,分别设计出了1×4与2×2两款阵列天线,就其中1×4阵列天线而言,隔离度大于17.6dB,端射方向上的增益范围为7.51dBi-10.2dBi。在边缘角度增益下降不超过3dB的前提下,阵列天线在xoy面的波束扫描范围为±60°。最后,本文基于表面波定理,提出了三款零净空端射毫米波天线,利用束缚波一旦发生不连续或者表面波间隙就会辐射到自由空间中的特性,解决零净空端射天线波束上翘问题。首先,设计了一款锥形接地板天线,天线工作在28.36GHz-31.57GHz与42.19GHz-45.44GHz频段,水平面最大辐射增益均达4dBi以上。考虑到实际应用的一些具体问题,转换设计思路,然后设计了一款过渡介质层天线,天线端射特性良好。最后基于表面波原理与斯涅尔折射定律,将两种理论相结合,设计了一款具有完整地板的端射天线,可实现天线在40.5GHz-42.5GHz高频段谐振,且具有良好的端射特性,水平面最大辐射增益均达4dBi以上。
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