高温超导有源集成天线的理论和实验研究

本项目首次将超导二流体模型引入时域有限差分法，建立了稳定的时域有限差分方程。并与非线性有源器件模型及无源天线结合，对高温超导有源天线进行了非线性电磁模拟和全波分析。首次将谐波平衡法与神经网络法结合，大大提高了有源天线的分析计算速度。首次研制了一个C波段振荡型高温超导有源集成天线，在液氮温度下测得工作频率为6.719GHz，天线等效全向辐射功率为188mw。此外，还测试了天线的方向性图，其交叉极化面低于共面极化面12dB。我们还采用双栅场效应管研制成自振混频型有源天线，利用矩形贴片天线研制收发双工有源天线，均获得了预期的实验结果。本项目共发表论文15篇，其中国际国内一流刊物发表6篇。

有源集成天线，工作元件不全是被动的元器件，而是有源器件（如晶体管，集成电路放大器等）的天线。

近年来得到最大发展和注意的是有源相控阵天线，天线上集成了接收/发射(T/R)模块。有源集成天线的使用，使很多无线电设备提高了性能，系统的损耗大大减少，信号噪声比得到提高。有源集成天线的辐射或接收方向图可快速变换，使雷达波束的扫描变得很方便。有源集成天线使数字技术在天线中获得了大量的应用。近年来，迅猛发展的数字波束就是有源集成天线的又一应用成果。

本研究主要完成了一种新颖的放大器型极化捷变有源微带天线阵的理论与实验。其创意是，只要在馈电端电控单一有源电路，就能实现整个微带天线面阵极化的捷变与放大。为此，首先对多种微带天线单元进行了全波分析，并提出一种新的双极化设计—对方形贴片作双端角馈。进而研制了多副双极化角馈方形贴片阵，并提出一种新分析方法—EMNM（扩展多端网络法）。然后提出了切实可行的有源电路设计，它由可控移相器和低噪声放大器组成，用TOUCHSTONE作系统优化设计。研制了PIN管和FET两种电控移相器与二副HEMT低噪声放大器。有源电路与双极化阵相接后实现了由线极化到圆极化的捷变，实测轴向轴比为0.5dB;与无源阵相比，实测天线增益提高了14dB,这意味着，该有源阵的面积只是同样增益无源阵的1/25。这些技术对通信、雷达和电子对抗等都有其应用前景。已在国内外发表录用19篇论文，待发表3篇，博士、硕士论文共三本。预计被EI等引用10篇，并有美国公司来函联系生产。

大规模MIMO天线技术是移动通信与天线领域的研究热点，有源集成天线是移动通信基站的关键组件，差分馈电天线为差分射频电路所必需。项目结合有源集成天线、差分馈电天线以及大规模MIMO技术，研究有源差分馈电大规模MIMO集成天线，具有重要科学意义和工程实用价值。本项目在充分的前期研究基础之上，提出了具有平面结构的双极化有源差分馈电天线，通过引入人工磁导（AMC）表面降低天线剖面，为大规模MIMO天线集成创造必要条件。具体研究内容包括：1)有源差分馈电双极化平面天线；2）基于AMC表面的有源差分馈电双极化平面天线低剖面技术；3）有源差分馈电大规模MIMO集成天线。本项目系统研究差分馈电天线、有源天线、宽带AMC表面以及有源大规模MIMO集成天线的工作原理和实现方法。通过本项目实施，有望解决移动通信基站天线领域的关键技术问题，为有源差分馈电大规模MIMO集成天线的实际工程应用提供理论基础与技术支持。