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微波学报 2023年第S01期39卷 60-63页

作者：施秉权肖如奇杨国吴文近程射频感知芯片与微系统教育部重点实验室电子工程与光电技术学院南京理工大学南京210094

采用传统方法设计天线时,往往存在能量转换效率较低、能量浪费严重的问题,但大部分优化方法又都有操作过于复杂的缺陷。本文提出了一种采用最大功率传输效率(MMPTE)方法设计的毫米波微带天线阵列。该天线由4×4个矩形贴片辐射单元... 详细信息

采用传统方法设计天线时,往往存在能量转换效率较低、能量浪费严重的问题,但大部分优化方法又都有操作过于复杂的缺陷。本文提出了一种采用最大功率传输效率(MMPTE)方法设计的毫米波微带天线阵列。该天线由4×4个矩形贴片辐射单元和微带线馈电网络组成,并通过MMPTE来优化天线馈电网络的相位和幅度。本文所设计的天线阵列具有结构简易、辐射效率高、成本低廉、体积较小、性能良好等优点,可根据需求应用于不同的Ka波段毫米波天线系统。

关键词：最大功率传输效率法微带天线阵聚焦天线

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最大功率传输效率法及其在气象探测与监测系统阵列天线设计中的应用研究

最大功率传输效率法及其在气象探测与监测系统阵列天线设计中的应...

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作者：蔡潇南京信息工程大学

学位级别：博士

在现代气象探测和监测系统中，MST（Mesosphere、StratosphereandTroposphere）风廓线雷达、相控阵天气雷达以及基于无线传感器群的气象监测网三部分发挥着各自重要的作用。本论文研究以下三个问题：（1）用于晴空大气风场和湍流观测的... 详细信息

在现代气象探测和监测系统中，MST（Mesosphere、StratosphereandTroposphere）风廓线雷达、相控阵天气雷达以及基于无线传感器群的气象监测网三部分发挥着各自重要的作用。本论文研究以下三个问题：（1）用于晴空大气风场和湍流观测的MST雷达可以提供高时空分辨的风廓线观测数据，但其采用的八木天线子阵存在增益和前后比不够高以及尺寸较大等不足;（2）用于突发性、灾害性风暴等强对流天气精细结构分析监测和预警的相控阵天气雷达，通过宽波束的扫描方式大幅缩短探测周期，但所使用的阵列天线由于主瓣半功率波束宽度内的方向增益不均匀、旁瓣较高等因素直接影响现有的相控阵天气雷达的探测能力和反射率的计算;（3）应急情况下的空气温湿度等大气环境要素的大面积监测可以采用分布式无线传感器网络来完成，但这些无线传感器节点在复杂环境下可能受供电环境限制而难以发挥作用。　　为解决以上问题，本文研究最大功率传输效率法（MethodofMaximumPowerTransmissionEfficiency,MMPTE）理论以及在阵列天线设计和无线供能系统中的应用。本文在无约束MMPTE（UnconstrainedMMPTE,UMMPTE）的基础上，提出MMPTE的两种新形式：带约束条件的MMPTE（ConstrainedMMPTE,CMMPTE）和加权CMMPTE（WeightedCMMPTE,WCMMPTE），分别用于解决上述三个问题：　　（1）针对MST雷达所使用的八木天线阵列增益和前后比不高以及尺寸较大的问题，利用UMMPTE设计了多驱动单元印刷偶极子端射阵列天线。该阵列天线利用UMMPTE方法的优越性，通过缩小阵元间距并突破传统阵列天线设计中半个波长的阵元间距下限，有效减小阵列天线的尺寸。与相同单元数的八木天线相比，本文所设计的多驱动单元印刷偶极子阵列同时提高了端射增益和前后比。　　（2）针对相控阵天气雷达在主瓣半功率波束宽度覆盖角度内增益不均匀的问题，将CMMPTE应用于波束赋形阵列天线设计，在给定覆盖角度范围内实现了平顶方向图的赋形。模拟与实验结果表明，基于CMMPTE的波束赋形技术不仅可以在给定的角度覆盖范围内产生增益波动小于1dB的平顶方向图，而且还可以通过集中辐射能量来提高主瓣增益。由于辐射能量在所需要的方向上更加集中，天线的副瓣电平因而降低。　　（3）针对无线温湿度传感器等气象监测节点的输能问题，本文基于WCMMPTE设计了多点聚焦阵列天线。通过将辐射能量聚焦在多个焦点位置，可同时为分布广、能耗低的多个无线气象监测设备进行无线输能。实验验证中以整流天线连接的LED（LightEmittingDiode）来模拟待输能设备，通过点亮待供电位置的LED灯来直观显示该方法的可行性。结果表明，所设计的多点聚焦阵列天线可以对封闭区域或开放空间中的多个目标同时进行无线输能。

关键词：阵列天线优化设计最大功率传输效率法性能表征

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综合平顶方向图的最大功率传输效率法

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固体电子学研究与进展 2020年第6期40卷 433-437页

作者：窦晓雷文舸一南京信息工程大学应用电磁学研究中心南京210044

利用最大功率传输效率法设计波束成形天线阵列,被设计阵列天线与赋形区域引入的多个测试接收天线构成无线功率传输(WPT)系统。利用带约束条件的最大功率传输效率法使得WPT系统的传输效率达到最大,可得到波束赋形阵列天线所需的最优激励... 详细信息

利用最大功率传输效率法设计波束成形天线阵列,被设计阵列天线与赋形区域引入的多个测试接收天线构成无线功率传输(WPT)系统。利用带约束条件的最大功率传输效率法使得WPT系统的传输效率达到最大,可得到波束赋形阵列天线所需的最优激励分布。文中以圆形平顶综合为例,通过工作频率为5.8 GHz的16单元贴片天线阵列介绍了优化设计过程。模拟与实验结果表明天线方向图平顶的覆盖范围为±45°,方向图的平顶波动在0.7 dB内。

关键词：天线阵列最大功率传输效率法平顶方向图顶部波动

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三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列

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固体电子学研究与进展 2023年第3期43卷 247-252页

作者：朱岑鑫段铸南京信息工程大学应用电磁学研究中心南京210044

提出了一种三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列。该阵列单元由蝶形偶极子、阻抗变换器和巴伦组成,通过最大功率传输效率法(MMPTE)优化出天线三个端口的所需最优激励分布,从而实现天线在左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)以及在方位... 详细信息

提出了一种三端口宽带极化可重构紧耦合天线阵列。该阵列单元由蝶形偶极子、阻抗变换器和巴伦组成,通过最大功率传输效率法(MMPTE)优化出天线三个端口的所需最优激励分布,从而实现天线在左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)以及在方位角平面任意角度线极化(LP)多种辐射模式之间的切换。最终优化得到的阵列的尺寸为π×60^(2)mm~2×30 mm(π×0.7^(2)×0.35λ_(0)^(3)=0.549λ_(0)^(3),其中λ_(0)为中心频率处的自由空间波长)。测试结果表明,该阵列在左右旋圆极化和线极化状态下的相对阻抗带宽(|S_(11)|<-10 dB)都为50.7%,且3 dB增益带宽基本能覆盖阻抗带宽。左右旋圆极化轴比小于3 dB,并且轴比带宽(AR<3 dB)可以覆盖整个阻抗带宽。在3.5 GHz处,阵列在各种极化状态下的最大实际增益均大于8.8 dBi。

关键词：阵列天线宽带极化可重构紧耦合最大功率传输效率法

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用于Ka波段卫星通信的双频段圆极化无源相控阵天线

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无线电工程 2024年第3期54卷 687-694页

作者：夏桥江蔡潇文舸一南京信息工程大学应用电磁学研究中心江苏南京210044 南京信大安全应急管理研究院有限公司江苏南京210044

针对Ka波段卫星通信在收发频段对圆极化切换和圆极化性能的需求,设计了一款用于Ka波段卫星通信的双频段圆极化无源相控阵天线。利用带约束条件的最大功率传输效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency with Constraints,... 详细信息

针对Ka波段卫星通信在收发频段对圆极化切换和圆极化性能的需求,设计了一款用于Ka波段卫星通信的双频段圆极化无源相控阵天线。利用带约束条件的最大功率传输效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency with Constraints, CMMPTE),通过引入测试接收天线,待设计的天线与之构成无线功率传输(Wireless Power Transmission, WPT)系统,以收发之间传输效率为优化目标函数,同时设置约束条件控制2个正交的场分量,获得发射天线的最优激励分布,在收发频段实现所需偏转方向的左右旋圆极化波束。该天线是一款收发共面的天线,整体尺寸仅为37.18 mm×37.18 mm×0.762 mm,在29.5~30 GHz的发射频段和19.7~20.2 GHz的接收频段内实现了圆极化可重构和波束扫描功能。仿真和实测结果表明,该天线在收发频段分别实现了左右旋波束的切换,圆极化波束在偏转60°时的轴比始终保持在3 dB以下,并且拥有极低的交叉极化电平。

关键词：天线阵列圆极化可重构最大功率传输效率法波束扫描

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应用于5G微基站的多模智能天线的设计

应用于5G微基站的多模智能天线的设计

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作者：许晨晨南京信息工程大学

学位级别：硕士

现代科技的迅速发展推动着移动通信不断更新换代,而作为移动通信必不可少的天线在信号传输过程中起着至关重要的作用。现阶段,功能单一的天线已无法适应新的工作场景,而智能天线凭借高通信质量和高频谱利用率的优异特性可满足最新发展... 详细信息

现代科技的迅速发展推动着移动通信不断更新换代,而作为移动通信必不可少的天线在信号传输过程中起着至关重要的作用。现阶段,功能单一的天线已无法适应新的工作场景,而智能天线凭借高通信质量和高频谱利用率的优异特性可满足最新发展需求。本文基于不同的应用场景,分别设计了四款智能天线,其主要工作内容包括:1、设计了一款宽带线极化多模智能天线,其有八个馈电端口。它由八对椭圆形偶极子和一个空心圆柱金属反射板组成。该天线有48.9%(2.90-4.78 GHz)的阻抗带宽,且带内有两种工作模式:一为全向模式,即所有端口添加等幅同相激励时,可在水平面获得全向特性;二是定向模式,即所有端口添加最大功率传输效率法(MMPTE)优化的激励时,可在水平面实现单/多波束扫描。2、考虑到圆极化的优越性,在第一个设计理念的基础上,设计了一款宽带圆极化多模智能天线,它有八个馈电端口。该天线由八对方环形偶极子和一个空心圆筒金属反射板组成,有52.1%(2.84-4.84 GHz)的阻抗带宽和15.2%(3.29-3.83 GHz)的轴比带宽,带内同样有全向/定向两种工作模式,且两种模式都保持圆极化特性。3、考虑到可幅相调控端口的数量对阵列天线成本的影响,在上一个天线的基础上添加了四个一分二的功分器,设计了一款带馈电网络的宽带圆极化多模智能天线,其有四个馈电端口。它有40.7%(2.85-4.31 GHz)的阻抗带宽和13.5%(3.42-3.91 GHz)的轴比带宽,带内同样有全向/定向两种圆极化工作模式,只是由于端口数的减少和功分器带来的插损,增益相较于上一个天线有所降低。4、与上述三款天线不同,第四个设计是一款由全向和定向两种不同辐射类型的天线组成的宽带圆极化多模智能天线,其有六个馈电端口。它有25.2%(3.42-4.41 GHz)的重叠阻抗带宽和27.5%(2.88-3.80 GHz)的轴比带宽。其特点是,在保留全向和定向双模圆极化的同时,提高了全向增益。四款天线都工作在中国公布的5G运营频段,且都覆盖了n78频段,贴合5G的发展需求。

关键词：多模圆极化智能天线最大功率传输效率法射频电路

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多端口可重构天线阵列设计

多端口可重构天线阵列设计

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作者：朱岑鑫南京信息工程大学

学位级别：硕士

在通信和雷达系统中,天线是必不可少的关键组成部分。然而,随着第五代移动通信技术（5G）的迅猛发展,有时天线会无法适应新的工作环境,从而限制了系统的性能。可重构天线具有灵活性,能够满足日益变化的外部环境,并能适应当代通讯信道多... 详细信息

在通信和雷达系统中,天线是必不可少的关键组成部分。然而,随着第五代移动通信技术（5G）的迅猛发展,有时天线会无法适应新的工作环境,从而限制了系统的性能。可重构天线具有灵活性,能够满足日益变化的外部环境,并能适应当代通讯信道多样化和高效率的需求。为了能更好的适应当今5G时代的发展,本文基于最大功率传输效率法（MMPTE）设计了三款可重构天线阵列,其主要工作包括:1.设计了一款低剖面极化可重构天线。天线由两层不同大小的扇形贴片组成,通过耦合馈电和双层贴片叠加的形式拓展天线带宽和降低剖面。在整体设计中,利用特征模理论确定天线工作频段,并利用MMPTE获得各种极化状态对应的各端口最优激励分布。最终优化的天线工作在3.5 GHz,通过0.058λ0的剖面高度实现了13.7%的相对阻抗带宽,且能实现良好的定向辐射和极化可重构效果。2.设计了一款宽带紧耦合极化可重构阵列。阵列单元由蝶形偶极子、阻抗变换器、短路条带和紧耦合结构组成。通过添加紧耦合结构和将阵列单元紧密环形排列拓展了阵列的工作带宽,并利用短路条带使阵列的增益更加稳定,然后利用MMPTE获得各种极化状态对应的各端口最优激励分布。最终优化的阵列工作在3.5 GHz,相对阻抗带宽为51.2%,并且能在宽带范围内实现良好的定向辐射和极化可重构效果。3.设计了一款圆极化广角扫描且全方位覆盖的异构阵列。该阵列由两种不同的天线单元组成,单元均是偶极子形式,并且均能实现左旋圆极化。通过改变单元的空间位置,构成立体阵列,并利用MMPTE获得各种扫描角度对应的各端口最优激励分布。优化的异构阵列工作在3.5 GHz,相对阻抗带宽为17.2%。该阵列特点是仅通过7个单元就实现了全方位面覆盖的圆极化广角扫描,其最大扫描角可达θ=±60°,且在整个扫描过程中,阵列的增益波动和轴比值均小于3 d B。三款天线均工作于现行的5G Sub-6 GHz频段,且完整覆盖了n78频段,它们可以为未来5G通信的极化可重构和方向图可重构天线提供设计思路。

关键词：极化可重构方向图可重构最大功率传输效率法 5G

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智能圆形阵列天线的优化设计

智能圆形阵列天线的优化设计

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作者：张康旭南京信息工程大学

学位级别：硕士

随着5G移动通信技术的不断发展,室外通信服务已无法满足人们的正常需求,需要更好的室内通信服务来提供支持。因此,室内基站智能天线在移动通信中愈发重要。为了实现室内通信信号的全区域覆盖、降低通信过程中能量的大幅衰减,室内基站天... 详细信息

随着5G移动通信技术的不断发展,室外通信服务已无法满足人们的正常需求,需要更好的室内通信服务来提供支持。因此,室内基站智能天线在移动通信中愈发重要。为了实现室内通信信号的全区域覆盖、降低通信过程中能量的大幅衰减,室内基站天线通常采用具有垂直极化特性的圆形阵列结构。本文主要研究内容有:1.基于单极子设计了两款工作中心频率为3.4 GHz的八单元智能圆形阵列天线,单元由单极子八木天线构成。两款阵列天线采用不同的金属地结构,在方位面上可实现两种工作模式:一种是全向辐射模式,即给阵列天线的各端口赋予等幅同相激励,两款天线以该模式工作时,不仅具有良好的全向性能,而且全向增益均大于3.6 dBi;另一种是定向辐射模式,通过在阵列天线的远场处预置接收天线来构建无线功率传输系统,并利用最大功率传输效率法优化出阵列天线的最优激励分布,连续改变接收天线的位置,得出每个位置处阵列天线的激励分布,阵列天线最终在辐射方位面内实现360°连续稳定的波束扫描功能,波束扫描时增益波动小于0.5 dBi。采用完整地板结构的阵列天线由于地面感应电流的作用,波束会上翘20°,峰值增益达12.0 dBi;采用开槽局部地板结构的阵列天线最大辐射方向在水平面上,峰值增益为11.1 dBi。2.基于磁偶极子设计了一款工作频率为3.4 GHz的十六单元智能圆形阵列天线,单元由微带八木天线构成,阵列天线能够在剖面仅为0.045λ的高度下实现垂直极化。该阵列天线同样可实现全向辐射模式和定向辐射模式两种工作模式,以全向辐射模式工作时,阵列增益为2.0 dBi,不圆度小于0.5 dB,具有良好的全向性能;以定向辐射模式工作时,采用相同的波束赋形方法,阵列天线能够在水平方位面实现360°连续稳定的波束扫描功能,波束扫描时增益波动小于0.2 dBi、峰值增益为13.1 dBi。

关键词：圆形阵列天线单极子八木天线微带八木天线最大功率传输效率法

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基于CMMPTE的阵列天线研究与设计

基于CMMPTE的阵列天线研究与设计

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作者：夏桥江南京信息工程大学

学位级别：硕士

随着现代科学技术的发展,阵列天线逐渐被用于卫星通信、无线能量传输、微波热疗等应用领域中,这些应用领域对天线技术提出了更高的要求。阵列天线相较于单个天线单元,拥有更高的增益和方向性,并且可通过赋予端口不同的激励来实现特殊的... 详细信息

随着现代科学技术的发展,阵列天线逐渐被用于卫星通信、无线能量传输、微波热疗等应用领域中,这些应用领域对天线技术提出了更高的要求。阵列天线相较于单个天线单元,拥有更高的增益和方向性,并且可通过赋予端口不同的激励来实现特殊的辐射性能。本文以功率传输效率为优化目标,通过带约束的最大功率传输效率法(CMMPTE)对双频圆极化可重构阵列天线进行优化设计,圆极化波束在大角度扫描时拥有较低的交叉极化电平和轴比。之后通过CMMPTE对特定能量分布的无线功率传输系统优化的方法,对目标区域采样点的电场值进行约束,实现了近场区域电场的三维赋形。本文主要进行了以下研究:1.首先设计了一款用于Ka波段卫星通信的圆极化可重构阵列天线,该天线是一款双频圆极化可重构阵列天线,拥有结构简单、剖面低等特点。本文在阵列天线波束需偏转方向的远场区放置双端口接收天线,并通过极化约束条件对圆极化波束进行优化,圆极化波束在扫描时始终保持较低的交叉极化电平和轴比。设计了两款工作在收发频段的波束成形控制器,加工了天线实物并在微波暗室中进行了测试,实测结果和仿真吻合较好,验证了该方法的可行性。2.然后通过CMMPTE对特定能量分布的无线功率传输系统优化的方法设计了一款近场三维赋形阵列天线。通过调取目标区域采样点的电场值作为约束条件,保证了电场按期望形状分布的同时功率传输效率最大。相较于传统的CMMPTE,该方法不再需要放置接收天线来进行优化,在实际的应用中自由度更高。所设计的近场三维赋形阵列天线实现了球体形状的电场赋形以及在期望方向上的偏移,最后验证了该方法在溶液环境中也实现了良好的三维赋形效果。

关键词：阵列天线圆极化可重构近场赋形最大功率传输效率法

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手持终端小型MIMO智能天线阵列的优化设计

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固体电子学研究与进展 2021年第3期41卷 203-209页

作者：魏盼盼王峰文舸一南京信息工程大学应用电磁学研究中心南京210044

提出了一种工作在3.3~3.5 GHz频段的手持终端八单元MIMO智能天线阵列。该阵列由两个对称的四单元子阵列组成,分别放置在移动终端的两个长边偏上位置。四单元子阵总尺寸为45 mm×5 mm×3 mm,仅占基板长边约三分之一。先引入地面... 详细信息

提出了一种工作在3.3~3.5 GHz频段的手持终端八单元MIMO智能天线阵列。该阵列由两个对称的四单元子阵列组成,分别放置在移动终端的两个长边偏上位置。四单元子阵总尺寸为45 mm×5 mm×3 mm,仅占基板长边约三分之一。先引入地面隔离槽,使MIMO接收系统获得良好的隔离和包络相关系数;再基于最大功率传输效率法,获得指定辐射方向的发射天线阵列的最优激励,并保证在该方向上获得最大增益;最后利用自行研发的波束成形控制器实现最优激励分布,从而将天线波束偏转到指定方向。天线阵列工作在3.45 GHz时,在x、z方向上增益分别为4.1 dBi和5.9 dBi。

关键词： MIMO智能天线阵列最大功率传输效率法最优激励波束成形控制器

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