数字可重构反射阵天线研究

发布时间：2020-04-19 21:35

【摘要】：数字可重构反射阵天线是通过加载半导体器件把数字控制电路与可重构反射阵天线相结合起来,可以在不改变天线外部物理结构的情况下,仅仅改变数字控制电路输出的电路信号即可实现反射阵主波束的自适应变换。这种波束扫描、波束捷变的特性可以使其在无线通信领域及雷达成像领域中有非常广泛的应用前景。本文围绕数字可重构反射阵天线,研究了其反射单元设计与验证方法,并重点分析了反射阵列天线的远场辐射问题的工作原理。本文的主要工作如下:第一章介绍了数字可重构反射阵天线的研究背景及意义,并简单叙述了反射阵天线的发展历史。根据常用的可重构技术对可重构反射阵天线的发展现状进行了重点描述,为本文的数字式的可重构反射阵天线设计提供更多指导思路。第二章对微带反射阵基本工作原理、反射单元所需的补偿相位的求解方法以及常见的补偿相位实现方法进行了详细的描述。然后,对数字式的可重构反射阵的单元相位数字量化分析方法进行了解释说明。最后,介绍了三种常用的反射阵单元的仿真方法。这些内容为可重构反射阵天线设计奠定了坚实的理论基础。第三章根据缝隙耦合天线的工作原理,通过加载PIN二极管,设计并提出了一款1-bit缝隙耦合可重构反射阵天线。首先,分析了缝隙耦合反射单元的工作原理,并根据其原理与加载PIN二极管的反射阵单元设计方法结合提出了一种较为简单的单元设计思路;然后,提出了通过控制PIN二极管不同状态,其相位差为180°的可重构反射单元;另外,根据所设计的反射单元,设计了一款工作于X波段的10×10共100个反射单元的1-bit数字化可重构反射阵天线,仿真结果证明了所提的天线可以实现主波束的自适应扫描,扫描角度可达到50°。最后,对可重构反射阵天线在扫除基站盲区和微波孔径成像方面的应用进行了简单的叙述,为可重构反射阵天线的实际工程应用提供思路。第四章在前面研究的基础上,通过加载了损耗更小以及价格更低廉的PIN二极管,设计了一款平面微带1-bit可重构反射阵天线。首先,结合HFSS软件仿真与ADS软件仿真,提出了一种可以快速设计并可准确验证的可重构反射单元的设计方法,并使用此方法设计了一款工作于4.75GHz的1-bit数字可重构反射单元。然后,利用此反射单元进行12×12阵列的综合仿真以及整体阵列的加工;与此同时,为了能同时控制144路电路信号,设计并加工了硬件数字电路控制板,可控制天线板上每个反射单元的PIN二极管的工作状态,并且可以通过LED灯阵检查线路错误,保证PIN的正常工作。仿真与实测结果显示反射阵天线可在4.75GHz频率下,实现二维方向上的主波束自适应扫描,扫描角度可达50°,实验测试证实了天线的波束扫描能力。最后,设计了一款工作于6.2GHz的2-bit可重构反射单元,为后面多比特反射阵设计奠定基础。
【图文】：

反射阵,波导,反射阵天线

[2]。图1.1 最早的波导反射阵[2]20 世纪 80 年代，Malagisi 教授首次将 PCB 技术与反射阵天线设计结合起来，提出了一种微带单元组成的圆极化反射阵天线，这标志着微带反射阵天线的诞生[3]。反射阵单元通过印刷技术将四臂螺旋印刷于介质板上，然后加载上变容二极管，通过偏置电路控制变容二极管的工作状态，从而改变反射单元的谐振情况，最终产生不同的反射相位。微带贴片的结构具有的很多优点，如低剖面、重量轻以及成本低等。真是这次微带印刷技术的引入，在进程上大大促进了反射阵天线的研究与探索。反射阵的单元结构如图 1.2 所示。同年

反射阵,圆极化,螺旋,反射阵天线

第一章绪论3图1.2 四壁螺旋圆极化反射阵[3]在 80 年代末 90 年代初，为了减小天线的尺寸和体积，大量的微带反射阵天线被研究并提出，逐渐成为了天线研究的一大热点。John Huang 教授在 1991 年基于经典的阵列理论，，通过提出的微带贴片上加相位延迟线结构的反射单元，对微带反射阵天线进行讨论与分析，最终总结出完整的反射阵理论，并且提出了反射阵天线设计所需的辐射电场计算公式[15]。基于 Huang 教授提出的微带反射阵天线设计理论，大量的研究成果被先后提出来，使得反射阵天线的设计与研究十分火热[6-10]。由于微带天线具有窄带的特性，早先提出的反射阵天线一般带宽都比较窄。然而，天线的带宽对其应用有着很重要的影响
【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

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