毫米波平面电大尺寸阵列天线技术研究

Although restricted by the expensive craftwork, sensitive error requirement and relatively high transmission loss in the application of millimeter wave/ sub-millimeter wave array antenna, planar ELAs (electrically large antennas) have been developed to solve the critical issue as a new technical proposal recently. Based on the principle of pattern multiplication for array antennas, issues such as high side lobe level, main lobe split and so on are introduced by the element distance which is much wider than one wavelength. Thus new array antenna technology based on ELP is emerged accordingly. The research program content can be divided into several sections as follows: Firstly, element factor is optimized by using loading technology and higher harmonic mode; secondly, array factor is optimized by using methods such as amplitudes and phases optimization, parasitical radiation compensation, metamaterial surface technology and space distribution optimization; Thirdly, nonlinearly feeding networks are made by simplified CRLH TL structure, planar GWG/SICL structure and planar SPP structure. The design aim is to achieve ELP array antenna with features of low side lobe level, weak coupling and high gain. With the advantages of easy fabrication, low cost and insensitive error performance, the research achievement can be used to perfect the vital theory basis and application value of milimeter-wave planar array antennas with ELP.

昂贵的工艺成本、敏感的公差要求、较高的传输损耗限制了毫米/亚毫米波天线的应用推广，近期发展的平面电大尺寸天线为突破瓶颈提供了新的技术方案。根据阵列天线方向图乘积原理，电大单元间距远大于波长，导致方向图出现高副瓣、主瓣分裂等畸变问题，因此基于电大天线的新型阵列技术应运而生。项目首先分别从采用加载技术和高次模技术提高元因子性能；然后，采用幅相优化激励分布、寄生辐射方向图补偿、电磁超表面降低耦合和单元空间优化分布等技术提高阵因子性能；最后，采用简化的CRLH TL结构、平面GWG/SICL结构、平面SPP结构等非线性方案设计低耗高效的馈电网络，以最终设计实现低旁瓣、弱耦合和高增益的电大阵列天线。项目为实现易加工、低成本且对制作公差不敏感的毫米波平面电大阵列天线提供了重要的理论基础和应用价值。

昂贵的工艺成本、敏感的公差要求、较高的传输损耗限制了毫米/亚毫米波天线的应用推广，项目提出的平面电大阵列天线为突破瓶颈提供了新的理论与技术方案。首先，项目组提出了逆向波电大谐振理念，基于新型人工电磁结构，首次实现了逆向波电大谐振腔模型。通过推导分析超越方程，揭示了电大谐振腔工作机理，通过合理设计并加载人工电磁结构，使得谐振频点处腔体的尺寸远远大于处于同样基模的未加载谐振腔，为实现新型平面电大天线提供了设计原则。通过加载人工电磁周期结构（SRR和工字形），研制了多款平面电大尺寸天线，验证了理论分析。其中，采用工字形结构使得天线谐振频率提高了4.8倍，天线物理尺寸不变的情况下，由原先6.3GHz的谐振频率提升到了30GHz的毫米波频段，成本降低了10倍。同时，进一步地，提出了新型非线性传输、高阶模谐振等平面电大天线方案，通过理论分析和模型设计，突破了传统谐振尺寸限制，电大倍数均超过3倍。然后，在电大谐振单元理论分析和应用设计基础上，提出了系列平面电大阵列天线分析方法和设计模型。研究了基于不等幅馈电技术、阵元交错分布技术、阵列稀布技术以及基于遗传算法的低旁瓣平面电大阵列天线，显著提升天线的增益效率，同时降低了旁瓣电平，拥有超过90%的高口径效率。由于采用了具有电大特性的高增益天线单元，仅需要原先的1/4阵元数即可获得同样的增益效果。电大单元组阵的馈电网络的设计更加灵活、紧凑与简洁，降低了毫米波阵列天线对加工精度的依赖，减小了馈电网络规模，降低了馈电损耗。在上述电大单元和阵列基础上，进一步地，引入微扰结构实现了电大圆极化特性，满足抗雨衰、抗电子干扰等应用需求，拓展了电大天线的应用场合。相关成果发表在本领域顶刊IEEE TAP、IEEE AWPL等国际核心期刊上。项目为实现易加工、低成本且对制作公差不敏感的毫米波平面电大阵列天线提供了重要的理论基础和应用价值。