基于频率选择表面和折合式平面反射阵的毫米波高增益滤波天线研究

The last few years have witnessed an increasing interest in millimeter-wave applications. The antenna gain of higher than 30dBi is usually demanded in millimeter-wave application systems. Size reduction and lower insertion loss of millimeter-wave RF front end can be achieved through integrating the bandpass filter and antenna in a single module called filtering antenna with filtering and radiating functions simultaneously. This project will do deep investigation on the design and realization of millimeter-wave filtering antenna with high-gain characteristics. .Folded reflectarray antenna (FRA) is an attractive high-gain antenna due to its low profile, planar structure, low cost, etc. Frequency selective surface (FSS) is thought of as the spatial filter with transfer functions defined in three-dimensional space (frequency, angle of incidence and polarization of incidence). Both folded reflectarray antenna and frequency selective surface techniques will be applied in the design of millimeter-wave high-gain filtering antenna in this project. Firstly, the operating principle of antenna based on the FRA and FSS techniques will be investigated. Then, design and optimization of FSS will be done according to the requirement of millimeter-wave high-gain filtering antenna design. Prior to the design and realization of millimeter-wave FSS and antenna, the basic electromagnetic properties of substrate materials and conductor layers will be extracted through theoretical analysis and experiment. The final objective of this project is to realize a novel millimeter-wave high-gain filtering antenna.

毫米波频段近年来得到了学术界和工业界的高度重视，毫米波应用系统通常要求天线具有较高的增益(如高于30dBi)。滤波天线同时集成了辐射功能和滤波功能，这有利于射频前端尺寸的减小和损耗的降低。基于毫米波应用系统对天线增益的要求和滤波天线的设计思想，本项目将研究并实现一类具有较高天线增益的毫米波滤波天线。.鉴于折合式平面反射阵天线是实现高增益天线的一种较为理想的低成本方案，频率选择表面本质上是一种“空间电磁滤波器”，项目将结合这两项技术来实现毫米波高增益滤波天线。首先，项目将研究基于上述两项技术来实现毫米波高增益滤波天线的机理和实现方法。其次，根据天线整体对频率选择表面的性能要求，对其进行优化设计。同时，通过理论分析和实验验证获得毫米波频段介质基片和金属层等的基本电磁特性和变化规律，为毫米波高增益滤波天线的设计提供准确的电磁参数。最终，通过实验验证毫米波高增益滤波天线实现的可行性。

毫米波频段(30~300GHz)由于其频谱资源丰富、波长短、电波传播不易受恶劣天气影响等特点，近年来得到了学术界与工业界的格外重视和大力开发，在高速无线通信、精确制导、汽车防撞、成像系统、环境监测、射电天文等诸多方面均有着广泛的应用。在上述的毫米波应用系统中，毫米波高增益天线（如增益高于30dBi）通常是其中一个不可或缺的组成部分。通过将频率选择表面和折合式平面反射阵天线相结合可构建一类新型的毫米波高增益多功能天线，该类天线可具有高辐射效率、集成滤波功能、低剖面、小尺寸、低成本、可调、可多波束同时工作等特点。.本项目对该类毫米波高增益多功能天线开展了深入研究，并取得了较好的研究成果。下面就研究成果做简单概述：首先，项目取得了良好的理论成果。频率选择表面本质上可被用作空间反射器、滤波器、极化转换器、吸波器等器件，通过将极化敏感的频率选择表面作为毫米波高增益多功能天线的副反射面可以实现各种多功能集成天线形式。其次，项目对极化敏感频率选择表面开展了深入研究，设计并实现了若干频率选择表面，主要有滤波器/反射器、吸波器/反射器、线极化到圆极化转换器/反射器等极化敏感的频率选择表面。最后，项目对该类毫米波高增益多功能天线进行了设计验证，目前已成功设计了若干高增益多功能天线，主要有高增益滤波天线、高增益圆极化天线、高增益低RCS天线等。其中部分工作已发表，部分工作正在撰稿。.通过本项目的研究工作，将空间馈电技术、频率选择表面技术、折合式平面反射阵天线技术等应用于毫米波高增益多功能天线的设计中，从而实现具有高辐射效率、低剖面、小尺寸、低成本等优点的毫米波天线，为进一步研究毫米波天线起到关键技术研究先行的作用。