周期性结构及其在天线上的应用

发布时间：2020-03-24 22:07

【摘要】：随着新型电磁材料的发展,有关人工磁导体(Artificial magnetic conductors:AMC)和频率选择表面(Frequency selective surface:FSS)等结构的研究和它们在天线上应用已经成为微波领域的研究热点之一。本文主要对AMC表面用于天线实现低剖面、AMC表面用于降低目标雷达散射截面(Radar Cross section:RCS)从而实现隐身、以及多频段FSS作为反射面天线的副反射面等方面来展开研究,设计了基于AMC的低剖面宽频带缝隙天线和蝶形天线以及缝隙天线阵列和蝶形天线阵列、可有效降低RCS实现目标隐身的宽频带AMC阵列以及FSS作为副反射面的多频段反射面天线。为验证设计的可行性和仿真结果的准确性,笔者还对上述天线进行加工并测试其特性。笔者主要的研究内容可概括为:1.对AMC的同相反射相位特性进行了研究,并设计了以AMC结构作为接地板的低剖面宽频带缝隙天线。首先在辐射缝隙上加载改进的C形枝节,提出了一个宽频带共面波导(CPW)馈电的平面缝隙天线;然后,提出了一个覆盖缝隙天线工作频带的宽频带AMC表面,将其置于缝隙天线下方作为接地板,在实现低剖面的同时改善其阻抗匹配以及辐射特性。从测试结果可以看出,此天线的工作频带是7.64-14.58GHz(62.47%),最高增益可以达到10.26dBi,并且此缝隙天线还具有较高的前后比特性和低交叉极化特性。基于此缝隙天线,设计了工作在X频段1×8的缝隙天线阵列,阵列的阻抗带宽为8-11GHz,电性能较好。2.根据AMC的同相反射相位特性,提出了两种基于AMC结构的宽带低剖面高增益蝶形天线。首先,通过不同的枝节加载,提出了两种工作在不同频段的宽频带蝶形天线;然后根据它们的工作频带,设计了覆盖蝶形天线工作频带的两种不同的AMC阵列作为接地板。此外,为了进一步提高低剖面蝶形天线的增益,并减小旁瓣和后瓣,在两个AMC接地板的周围加载一圈金属围栏。测试结果表明,此两种蝶形天线均具有宽频带低剖面并且高增益特性。基于WiMAX频段蝶形天线,设计了4×4的蝶形天线阵列,阵列的阻抗带宽为2.4-3.6GHz,具有较好的性能。3.利用不同AMC单元之间的相位差特性,研究了AMC阵列实现减缩RCS的方法,并设计了两种用于减缩RCS的AMC阵列。首先,提出了一种单层的AMC阵列,在11.6-28.1GHz频段内实现了两单元间有效的相位差(143°-217°)特性,单元按照风扇形排列,增加不同单元模块之间交界边,从而增加两者的干涉特性,可以更有效的将能量散射到雷达探测不到的方向上;然后,提出了一种双层结构的棋盘式AMC阵列,利用中间的空气层,使两单元的相位曲线变化平缓,从而获得94.06%的相位差带宽,并将其进行棋盘式排列形成具有宽带RCS减缩特性的AMC阵列。测试结果与仿真结果的一致性表明,此两种AMC阵列均可用于宽频带内实现隐身。4.研究了多频FSS以及多频反射面天线的设计方法,利用FSS来作为副反射面,反射面天线可允许两个不同频段的馈源同时工作,实现频段复用。提出Ku/K/Ka三频段FSS来作为反射面天线的副反射面,在Ku频段内反射电磁波,在K和Ka频段内实现透射,采用方环与六边形环和六边形贴片相结合的单元结构实现在每个频段内的宽频带特性,多层FSS结构的设计保证斜入射角和极化的稳定性,以及在多频段内的低损耗特性。接着,对Ku频段和K/Ka频段轴向槽波纹喇叭进行设计,实现了低交叉极化以及旋转对称的主极化方向图,作为反射面的两个馈源。最后,研究了多频带反射面天线的设计方法,将K/Ka频段馈源置于反射面天线的焦点处,FSS放在反射面与焦点之间,Ku馈源位于K/Ka馈源关于FSS对称的位置,使得K/Ka频段馈源发出的电磁波透过FSS入射到反射面,而Ku频段的电磁波经FSS反射到反射面上,最后两频段的馈源发射到反射面上的电磁波再由反射面反射而发射出去。通过GRASP仿真软件对多频段反射面系统进行仿真,得到反射面天线远场方向图。从仿真结果可以看出,此多频段反射面天线在Ku频段内口径效率高于55%,K/Ka频段内口径效率高于64%,基本满足要求。
【图文】：

结构图,结构图,文献,实现目标

目标雷达散射截面，实现目标隐身。本论文主要针对 AMC 作为人工地板以及实现目标隐身两方面进行研究。图1.1 文献[11]中的 EBG 结构图。（a）俯视图；（b）侧视图；（c）等效电路示意图a．AMC 作为人工地板在天线上的应用研究AMC 作为天线接地板来实现低剖面是 AMC 结构对传统天线的性能进行改善的最广泛的应用。在此领域 Fan Yang 与 Yahya Rahmat-Samli 等学者研究最早，主要把AMC 结构用于微带天线实现低剖面方面[37-48]。由于同相反射原理，EBG 结构可以置于线天线下方极小的距离作为反射板使用，在不影响天线辐射效率的基础上，还能抑制天线的表面波，Fan Yang 等人于 2001 年在文献[39]中提出，将 EBG 结构置于圆极化方形螺旋状天线的下方用来实现低剖面特性，此时，，天线的高度只有 0.06λ。2003年，在文献[40]中

天线结构,文献,谐振腔模型,高增益

[41]。图1.2 文献[39]、文献[40]和文献[41]中的天线结构2005 年，Alexandros P. Feresidis 等人提出使用单层无过孔的 AMC 结构，并利用谐振腔模型设计出高增益印刷天线[42]。采用射线理论，设计出新型的谐振腔模型来分析 AMC 结构。然后提出新型带有部分反射表面的高增益微带贴片天线，将 AMC 作为其接地面来实现低剖面，使腔体的厚度减小将近一半。另外，Alexandros P. Feresidis等人也提出此结构的天线设计的近似解析公式。然而，EBG 本身的谐振属性，导致此种结构的带宽不能达到较宽的水平
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820;TB34

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