基于铁氧体加载基片集成波导的频率可调天线研究

发布时间：2018-04-29 23:40

  本文选题：基片集成波导(SIW) + 磁调谐天线　； 参考：《南京大学》2014年博士论文

【摘要】：目前,随着无线通信系统中需要的天线数量增多,造成通信系统的整体成本和重量增加、带来了天线之间的电磁干扰等问题,因此人们希望能够用一个天线来实现多个天线的功能。在此背景下,人们提出了"可重构天线"或"可调天线"这个概念。基于基片集成波导技术的可重构天线研究是一个全新的课题。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术是近年来提出的一种平面类波导结构,它具有类似于传统矩形金属波导的传播特性,这种特性是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上利用两侧周期性金属化通孔而实现的。基片集成波导器件具有低剖面、高品质因数、易和平面电路集成等优点。利用这些优点人们已研究了基片集成波导在天线方面的应用,在可重构天线应用研究中目前主要集中在通过电子器件等来实现电可调天线。利用天线中所用材料的本征特性来改变天线的工作频率也是实现频率可调天线的一种有效方法。本论文着重研究了铁氧体加载基片集成波导在低剖面频率可调天线设计中的应用。对比分析了铁氧体加载基片集成波导和普通基片集成波导传输特性,探讨了偏置磁场作用下铁氧体加载基片集成波导传输参数的可调性,研究了基于铁氧体加载基片集成波导天线的工作原理,以及铁氧体加载基片集成波导的馈电结构等。在此基础上设计研究了几种通过磁场调节的新型基片集成波导频率可调天线,取得了以下几个方面的研究成果:(1)在SIW谐振腔理论基础上对铁氧体加载SIW谐振腔进行了理论和仿真分析,证明了磁可调SIW谐振腔的工作频率会随偏置磁场改变而改变。以此为基础,设计研制了一种工作在X波段的双铁氧体片加载频率可调SIW矩形缝隙天线,首次实现了磁可调的SIW天线。测量结果表明,可调频率范围为10.5%(从9.95 GHz到11.06 GHz),在频率调谐范围内天线增益大于5.0dBi,仿真和测试结果证明了设计方法的有效性。(2)设计了一种改进的铁氧体加载基片集成波导天线。通过改进天线辐射缝隙外形,使用单个铁氧体片,使天线结构更加简单,天线的辐射增益更高。仿真结果表明,该天线具有更好的增益和前后比,当偏置磁场从0变化到0.12 T,我们的天线的频率可调范围约为380 MHz,在可调范围内天线增益高于6 dBi,辐射方向图和增益几乎不受磁场影响。(3)研究了一种新型磁可调双频双极化基片集成波导天线。利用SIW谐振腔的多模特性,实现了天线的多频带特性;通过采用交叉辐射缝隙,实现了天线的双极化特性。通过适当选择交叉缝隙的两个臂的长度,实现了天线在低频工作点的圆极化辐射状态和高频工作点的线极化辐射状态。对实际制备样品的测量结果表明,低频段可调频率范围为8.1%(从8.98 GHz到9.74 GHz)和高频段可调频率范围为5.5%(从9.98 GHz到10.54 GHz)。通过改变磁场大小,不但可以改变天线的工作频率,而且还可以改变它的极化特性。(4)提出并实验证明了一种实现铁氧体加载SIW缝隙天线在宽频率范围内可调谐的方法。通过同时采用改变天线中铁氧体位置(机械调节)和改变偏置磁场(磁场调节),实现在宽频率范围内的可调性。对设计制备在X波段基片集成波导天线的实验研究表明,该天线最大的频率调谐范围达到14.94%(9.23 GHz-10.69 GHz)。同时,天线辐射特性在频率调谐范围内变化不大,表现出良好的辐射性能。以上工作为低剖面可重构天线的研究和设计提供了一条新的实现途径和天线原型,这种类型的可调天线将在诸如无线通讯等工程领域有着潜在应用价值。
[Abstract]:This paper focuses on the application of the integrated waveguide of ferrite - loaded substrate in the design of low profile frequency tunable antenna . ( 3 ) A new type of tunable dual - frequency dual - polarization substrate integrated waveguide antenna is studied . The multi - band characteristics of the antenna are realized by using the multi - mode characteristics of the SIW resonant cavity . By selecting the length of the two arms of the crossed slot , the circular polarized radiation condition and the linearly polarized radiation state of the high - frequency operating point of the antenna are realized . The measurement results show that the adjustable frequency range of the low - frequency band is 8.1 % ( from 8.98 GHz to 9.74 GHz ) and the adjustable frequency range of the high frequency band is 5.5 % ( from 9.98 GHz to 10.54 GHz ) . By changing the size of the magnetic field , not only the operating frequency of the antenna can be changed , but also the polarization characteristics of the antenna can be changed . At the same time , the radiation characteristics of the antenna are not large in the range of frequency tuning , which shows good radiation performance . The above work provides a new approach and prototype for the research and design of low profile reconfigurable antenna . The adjustable antenna of this type will have potential application value in engineering field such as wireless communication .

【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN820

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本文编号：1822116