透镜加载的毫米波圆极化多波束天线的研究

As one of the key technologies for 5G mobile communications, millimeter-wave multi-beam technology can increase the utilization efficiency of spectrum and energy, and circularly polarized electromagnetic waves can effectively reduce multipath fading. Therefore, design and implementation of low-cost, miniaturized millimeter-wave circularly polarized multi-beam antenna is very important for research and applications. In this project, we investigate the high-performance millimeter-wave circularly polarized antenna element, compact multi-beam feeding networks, and wideband high transmission planar lenses, and carry out the theory, experiment and application research of the lens loaded millimeter-wave circularly polarized multibeam antenna. First, we investigated the operating mechanism of the wide impedance bandwidth, wide 3dB axial ratio bandwidth, and wide 3dB axial ratio beamwidth of circularly polarized antenna elements from both theoretical and experimental study. Then, we investigate the near field of discrete lens to obtain the phase-difference distribution of the offset-focus beam, and explore ways to reduce nonlinear errors. Finally, implementation of two-dimensional beam scanning by loading the wideband lens and offset-feeding with multiple one-dimensional beam scanning circularly polarized antennas. This project will provide a new solution to realize millimeter-wave circularly polarized two-dimensional beam scanning antenna, and can be applied to massive MIMO for next generation (5G) wireless communication.

作为第五代移动通信（5G）的关键技术之一，毫米波多波束技术能够提升频谱和能量的利用效率，而且圆极化电磁波可以有效地减小多径衰落，因此设计低成本、小型化毫米波圆极化多波束天线具有重要的理论意义和应用价值。本课题围绕毫米波高性能圆极化天线单元、毫米波紧凑型低损耗多波束馈电网络和宽带、高透波平面透镜开展有关平面透镜加载毫米波圆极化多波束天线的理论、实验及应用方面的研究工作。从理论和实验两个方面研究圆极化天线单元宽阻抗带宽、宽3dB轴比带宽和宽3dB轴比波束宽度的工作机理。研究离散透镜影响平面传播的近场分布规律，得到离散透镜偏馈波束的相差分布，并探索降低非线性误差的途径。以多个一维圆极化多波束天线为馈源，通过加载该宽带、高透波平面透镜实现圆极化多波束天线在二维面的波束扫描。本项目将为毫米波圆极化二维多波束天线的实现提供一条新的技术途径，在第五代移动通信5G大规模MIMO中有重大的应用前景。

项目针对5G毫米波通信系统和卫星通信系统的应用需求，对宽带毫米波多波束天线系统进行了深入的研究。首先，我们对矩形贴片和偶极子的工作模式进行分析，阐明其宽带工作和实现圆极化性能的工作机理，在此基础上提出一系列新型的圆极化天线单元和天线阵列，实现了诸如超宽带工作频带、超宽带轴比带宽和宽轴比波束宽度等优异的性能。其次，针对基片集成同轴线在毫米波频段的优势，我们设计实现了一系列基于基片集成同轴线结构的宽带毫米波器件与天线，如V波段基片集成同轴线到矩形波导的宽带转接，基片集成同轴线馈电的宽带低副瓣偶极子天线阵列和基于基片集成同轴线结构的宽带共口径天线阵列。最后，我们对基于3D打印介质透镜的毫米波圆极化多波束天线系统的实现方案进行了详细的研究，提出一种由五个宽带双圆极化馈源天线和3D打印介质透镜组成的五波束天线系统，该实现方案具有波束覆盖范围广，天线增益高，低成本等优点。项目资助发表SCI论文2篇，待发表论文2篇，拟投稿论文4篇，申请发明专利8项，其中1项已授权，培养硕士生6名。本研究为毫米波多波束天线在5G毫米波无线通信系统和卫星通信系统中的应用奠定了坚实的工作基础，同时为后续共口径毫米波天线阵列的研究提供了重要的启示性线索。