高溫超導(dǎo)有源集成天線的理論和實驗研究

本項目首次將超導(dǎo)二流體模型引入時域有限差分法，建立了穩(wěn)定的時域有限差分方程。并與非線性有源器件模型及無源天線結(jié)合，對高溫超導(dǎo)有源天線進行了非線性電磁模擬和全波分析。首次將諧波平衡法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合，大大提高了有源天線的分析計算速度。首次研制了一個C波段振蕩型高溫超導(dǎo)有源集成天線，在液氮溫度下測得工作頻率為6.719GHz，天線等效全向輻射功率為188mw。此外，還測試了天線的方向性圖，其交叉極化面低于共面極化面12dB。我們還采用雙柵場效應(yīng)管研制成自振混頻型有源天線，利用矩形貼片天線研制收發(fā)雙工有源天線，均獲得了預(yù)期的實驗結(jié)果。本項目共發(fā)表論文15篇，其中國際國內(nèi)一流刊物發(fā)表6篇。

有源集成天線，工作元件不全是被動的元器件，而是有源器件（如晶體管，集成電路放大器等）的天線。

近年來得到最大發(fā)展和注意的是有源相控陣天線，天線上集成了接收/發(fā)射(T/R)模塊。有源集成天線的使用，使很多無線電設(shè)備提高了性能，系統(tǒng)的損耗大大減少，信號噪聲比得到提高。有源集成天線的輻射或接收方向圖可快速變換，使雷達波束的掃描變得很方便。有源集成天線使數(shù)字技術(shù)在天線中獲得了大量的應(yīng)用。近年來，迅猛發(fā)展的數(shù)字波束就是有源集成天線的又一應(yīng)用成果。

本研究主要完成了一種新穎的放大器型極化捷變有源微帶天線陣的理論與實驗。其創(chuàng)意是，只要在饋電端電控單一有源電路，就能實現(xiàn)整個微帶天線面陣極化的捷變與放大。為此，首先對多種微帶天線單元進行了全波分析，并提出一種新的雙極化設(shè)計—對方形貼片作雙端角饋。進而研制了多副雙極化角饋方形貼片陣，并提出一種新分析方法—EMNM（擴展多端網(wǎng)絡(luò)法）。然后提出了切實可行的有源電路設(shè)計，它由可控移相器和低噪聲放大器組成，用TOUCHSTONE作系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。研制了PIN管和FET兩種電控移相器與二副HEMT低噪聲放大器。有源電路與雙極化陣相接后實現(xiàn)了由線極化到圓極化的捷變，實測軸向軸比為0.5dB;與無源陣相比，實測天線增益提高了14dB,這意味著，該有源陣的面積只是同樣增益無源陣的1/25。這些技術(shù)對通信、雷達和電子對抗等都有其應(yīng)用前景。已在國內(nèi)外發(fā)表錄用19篇論文，待發(fā)表3篇，博士、碩士論文共三本。預(yù)計被EI等引用10篇，并有美國公司來函聯(lián)系生產(chǎn)。

大規(guī)模MIMO天線技術(shù)是移動通信與天線領(lǐng)域的研究熱點，有源集成天線是移動通信基站的關(guān)鍵組件，差分饋電天線為差分射頻電路所必需。項目結(jié)合有源集成天線、差分饋電天線以及大規(guī)模MIMO技術(shù)，研究有源差分饋電大規(guī)模MIMO集成天線，具有重要科學(xué)意義和工程實用價值。本項目在充分的前期研究基礎(chǔ)之上，提出了具有平面結(jié)構(gòu)的雙極化有源差分饋電天線，通過引入人工磁導(dǎo)（AMC）表面降低天線剖面，為大規(guī)模MIMO天線集成創(chuàng)造必要條件。具體研究內(nèi)容包括：1)有源差分饋電雙極化平面天線；2）基于AMC表面的有源差分饋電雙極化平面天線低剖面技術(shù)；3）有源差分饋電大規(guī)模MIMO集成天線。本項目系統(tǒng)研究差分饋電天線、有源天線、寬帶AMC表面以及有源大規(guī)模MIMO集成天線的工作原理和實現(xiàn)方法。通過本項目實施，有望解決移動通信基站天線領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)問題，為有源差分饋電大規(guī)模MIMO集成天線的實際工程應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。