毫米波平面集成多波束透镜天线

Lens antenna is one of the effective methods to realize multibeam in millimeter band. Design and implementation of millimeter wave planar integrated multi-beam lens with low cost and compact size is very important for research and applications. In this project, we investigate the wideband transmission, high efficient focus and multibeam control performance of the planar lens, and carry out the theory, experiment and application research of the integrated multibeam lens. We investigate the mutual coupling of the sub-wavelength Meta surface, achieve the wideband transmission and phase control performance of Meta surface. We investigate the construction algorithm of planar lens based on optimized phase compensation, and investigate the effects of the discrete lens on the propagation of EM wave. We investigate the phase errors of discrete lens for beam scanning and discuss the methods to reduce nonlinear errors. Then we investigate the design method of substrate integrated feed with low cost and compact size. By loading the lens with 2D multi-feed array in a co-planar way, and switch off the feed array, we can achieve the mutibeam dynamically control in a wide scanning angle. This project will provide a new solution to realize high performance multibeam in a co-planar way, and can be applied to massive MIMO for next generation (5G) wireless communication.

透镜天线是实现毫米波高性能多波束的有效手段之一。设计实现低成本、小型化毫米波平面集成透镜多波束天线具有重要的理论意义和应用价值。本课题围绕毫米波平面透镜的宽带透波、高效聚焦和多波束调控开展有关平面集成透镜多波束的理论、实验及应用方面的研究工作。从理论和实验两方面研究单层亚波长超材料表面的层内耦合机制，得到平面波的宽带透波和相位调控技术途径。研究基于优化相位补偿原理的平面透镜构造算法，利用时域有限差分法计算离散透镜影响平面波传播的近场分布，得到离散透镜传输偏馈波束的相差形成机制，并探索降低非线性误差的途径。基于基片集成波导技术研究小型化、低成本毫米波平面馈源设计方法，利用平面透镜加载开关切换二维馈源阵的形式设计和制备宽角度覆盖、波束动态可控的二维多波束天线。本项目的实施将为高性能平面集成二维多波束提供一条新的技术途径，在第五代移动通信5G大规模MIMO技术中有重大的应用前景。

高性能透射式多波束可重构天线是下一代无线通信系统的关键器件之一。设计实现低成本、小型化、平面集成的透射式多波束天线具有重要的理论意义和应用价值。为此本项目针对制约透射式多波束设计的亚波长超材料、平面小型化馈源、渐变电磁透镜透镜、以及透射式加载的多波束可重构的理论、实验和应用验证等方面展开了深入的研究。本项目的主要研究内容包括以下四个方面：（1）建立了透射式多波束可重构天线的通用架构，分别针对透射式多波束、透射式可重构多波束两个方向对天线的工作原理和基本架构进行分析，在此基础上给出了渐变超材料透镜的相位补偿函数和介质半球透镜的扫描函数，为透射式多波束设计奠定理论基础。（2）首先分析了平面集成馈源天线的设计方法，提出了一种亚波长分形超材料频率可重构馈源，分别针对透镜馈源频率可重构和小型化组阵的应用需求，分析利用三角分形超材料辐射振子和平衡双线馈电技术解决天线跨频段频率重构问题，利用高阻表面背腔技术解决馈源天线小型化集成问题；其次提出了一种基于MEMS工艺的小型化波导缝隙阵列天线，利用硅层刻蚀缝隙、镀金并分层键合的方式解决馈源天线微加工问题；再次针对馈源喇叭天线口面减缩的需求，提出了一种基于亚波长缝隙加载的平面喇叭天线；最后针对毫米波馈源阵列一维组阵共面集成的需求，提出了一种堆叠式贴片超材料加载的基片集成波导天线。（3）首先研究了渐变电磁透镜的相位分布函数，分别分析了耶路撒冷十字、介质打孔、分裂环等几种典型亚波长超材料表面的传输和反射特性；其次利用多层耶路撒冷十字超材料设计了一种超薄的离散电磁透镜，并给出毫米波透镜高效聚焦和宽角度多波束扫描的途径；进而针对介质打孔单元设计了一种高定向性喇叭透镜天线，从而形成了利用超材料、单介质打孔、介质半球等技术的多波束透镜仿真和设计的一般方法。（4）研究了透镜加载的多波束可重构天线的设计和实验验证，针对多波束共面集成的问题，提出了一种超材料透镜加载的多波束阵列天线设计集成方法，并通过远场测试验证了设计方法的有效性；针对频率可重构多波束的问题，提出了一种透镜加载的多波束频率可重构天线，通过远场测试验证了设计方法的有效性。这些研究成果将为透镜加载的多波束天线在大规模MIMO通信走向应用奠定了基础，对5G通信系统的研制及应用起到进一步推动作用。