基于紧耦合结构的阵列天线技术研究

发布时间：2020-03-17 20:56

【摘要】：宽带阵列天线在现今的通信和传感系统中扮演着愈来愈不可或缺的角色。先进雷达技术、软件定义无线电技术、跳扩频等技术的发展与应用也对天线阵列的带宽性能提出了更高的要求;同时,阵列天线作为雷达系统的重要组成部分,其低剖面、低成本的特性也会在实际应用中成为非常重要的发展方向。传统的阵列天线多采用贴片天线单元组阵的方式或者使用Vivaldi天线组成阵列天线以实现超宽带的特性,但是这两者往往不能兼顾超宽带和低剖面的需求。由此,本文针对传统阵列天线的设计局限性,对紧耦合阵列天线进行了一些研究工作。通过利用阵元之间的耦合,紧耦合天线可以在保持较小剖面的情况下实现超宽带的特性。本文首先介绍了宽带阵列天线的研究意义以及发展现状,分析了宽带阵列的常用形式以及局限性,从而衍生出了紧耦合阵列天线的研究意义和研究现状。之后对于宽带阵列天线的基本理论进行了学习,并且对紧耦合偶极子单元的阻抗以及匹配理论进行了分析和讨论。在此基础上本文通过分析不同紧耦合单元结构的阻抗以及辐射特性,设计了一种基于紧耦合结构的方形平面偶极子阵列单元,馈电采用渐变线巴伦,通过加载电阻型频率选择表面(RFSS)工作带宽可以覆盖2GHz~20GHz。通过对8×8有限阵列的仿真、加工和测试,验证了该阵列的超宽带性能良好,同时扫描角度可以达到±60°。最后,设计了一款小型化的线极化紧耦合单元,采用同轴差分馈电,通过控制馈电相位实现从双线极化到圆极化的极化可重构,并通过控制电阻型频率选择表面的位置实现频率可重构,使得天线双线极化以及圆极化的可重构工作频带在2GHz~25GHz,频率可重构的带宽在14.95GHz~32.44GHz,通过仿真得到较为理想的结果验证了这一设想的可行性。
【图文】：

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在实际的工程应用当中，我们通常认为轴比 AR 在 3 以内就是比较满足极化天线。而旋向则是根据La 和Ra 的相对大小来决定。当L Ra a 时，（左旋）椭圆极化；当L Ra a 时，表示线极化；当L Ra a 时，表示旋）椭圆极化。通过以上对平面波极化特性的分析，我们已经认识到作为电磁波发射和接收线同样具有极化特性。既然轴比是判断圆极化的标准，，所以我们一般形容一圆极化性能时就会考虑它的轴比带宽，也就是通过分析它正常辐射时轴比作频段来评判。紧耦合偶极子天线单元的基本原理2.2.1 紧耦合偶极子单元的输入阻抗分析仿真实验中常用的两种偶极子单元的尺寸如下图所示。在理想情况下，图元，天线在 E 面和 H 面的空间维度的比值为 1，即 1E Hd d 。图 2 是矩形在 E 面和 H 面的空间维度的比值为1 2 ，即 1 2E Hd d 。

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对于图 2 同样空间尺寸的波阻抗减半为 188Ω，约等于极子的两个臂上的阻抗就接近于 100Ω。通过对偶极子尺的端口阻抗也随之由 200Ω 变为 100Ω，减小了一半。一Ω，这意味着 50Ω 输入阻抗的巴伦从需要匹配到 200Ω 的输整体降低了巴伦的匹配难度，增加了提高带宽的可能性，味着有较小的尺寸，天线更有可能获得较低的剖面。所以的阻抗变化后，可以更加方便我们在实际仿真中根据需求极子单元的匹配分析节关于偶极子的馈电端口阻抗的分析，我们可以基本得知巴伦需要完成一个 50Ω～200Ω 的阻抗匹配或者是 50Ω～1哪种阻抗匹配都会涉及到偶极子单元本身以及地板等的影射单元在紧耦合的情况下的阻抗匹配原理。偶极子单元的
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820

【参考文献】