宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线研究

发布时间：2019-03-26 08:43

【摘要】：随着电子设备的不断升级和功能多样化，现代通信技术对天线提出了越来越高的要求。宽带高增益天线及阵列已成为国内外天线研究领域的重要课题之一。Fabry-Perot谐振腔天线是一种基于电磁带隙结构（Electromagnetic band gap, EBG）的高增益天线。通过在有地辐射单元的正上方适当位置放置一个EBG结构（起部分反射作用），便可形成这类天线结构，其主要优点为结构简单、辐射效率高、无需类似于阵列天线中复杂的馈电网络便可实现较高增益。但由于谐振腔和EBG结构的窄带特性，此类天线的阻抗带宽和增益带宽较窄，其应用范围受到很大制约。在此背景下，本文主要进行了宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线的研究，提出了分别利用介质板和印刷频率选择表面（Frequency selective surface, FSS）构造EBG结构进而实现宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线的方法，并在此基础上对提出的方法进行了分析改进以增大此类宽带高增益天线的设计自由度。除理论研究外，本文还分别进行了相应的实验研究，以验证所提出设计方法的可行性和可靠性。论文取得的主要研究成果为： 1.借助于射线追踪模型对Fabry-Perot谐振腔天线的工作原理进行了分析，并简要推导了其各项性能参数；研究了天线尺寸及部分反射覆层（EBG结构）的电磁特性对天线性能的影响；选取并设计了缝隙耦合馈电的微带天线作为谐振腔天线的馈源，在微带天线的耦合贴片和地板间加入空气层，以抑制表面波的产生进而减小微带天线的表面波对谐振腔天线性能的影响。 2.将传输线理论和阻抗圆图引入到Fabry-Perot谐振腔天线的部分反射覆层结构的分析设计中，取代了以往采用的全波分析法通过电磁仿真计算周期结构的方式。通过建立并分析部分反射覆层结构的等效电路模型，简化了此类谐振腔天线的设计过程，同时也使其工作原理更加便于理解。 3.推导了Fabry-Perot谐振腔天线的宽带谐振条件，提出了通过在传统结构基础上加盖1/2介质波长厚度介质层的方法来近似满足这一条件，并设计了一种宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线；建立和分析了天线的部分反射覆层的等效模型并研究了天线的各项特性参数，使所提出的设计方法得以简明和概括。最终结果显示所提出的方法能将基于介质覆层的Fabry-Perot谐振腔天线的带宽提高近一倍。 4.研究了利用低电厚度介质板设计宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线的方法。传统的此类天线设计中所使用的1/4介质波长厚度的介质板在实际应用中不易得到，这增大了此类天线的应用成本和实现难度。针对此问题，本文提出了利用双层异性介质板构造部分反射覆层进而实现宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线的方法，随后通过改进最终实现了使用低电厚度异性或同性介质板设计此类宽带高增益谐振腔天线，这极大的降低了该类天线的应用成本且增大了其设计自由度。 5.提出了使用PCB印刷的周期FSS结构替代介质板构造部分反射覆层的方法，并将这种覆层应用于宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线的设计中。部分反射覆层的设计受介质板的介电常数和电厚度的严重制约，，为了摆脱这一制约，提出了使用PCB印刷双层互补FSS结构实现宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线的方法。通过建立和分析这种部分反射覆层的等效电路模型，使这种结构的工作原理和设计方法得以明确和简化，便于此类宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线的设计及应用推广；此外，研究结果显示，与现有方法相比，所提出的方法对此类天线的带宽扩展更为有效。总而言之，本文研究工作的主要目标为提出并改进宽带高增益Fabry-Perot谐振腔天线的设计方法，实现更大的天线带宽，简化设计方法，并增强其实用性。
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【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN822

【参考文献】