基于SP馈电网络的宽带圆极化微带阵列天线

发布时间：2020-06-20 22:33

【摘要】：天线是接收和发射电磁波的无线设备,总是位于射频系统的最前端,高性能天线技术是提高空间通信质量的关键技术之一。时至今日,天线应用于生活的各个方面如:全球定位系统(GPS)、移动通讯、电子不停车收费系统(ETC)、射频识别(RFID)等等;同时,天线也应用于军事重地,在维护国家安全方面发挥着至关重要的作用。随着无线通信质量的不断提高,圆极化、宽频带、高增益、小型化的天线技术越来越受人们重视。其主要原因是与线极化天线相比,圆极化拥有旋向正交、可接收任意极化形式的电磁波,且其辐射的波可以被任意极化的天线接收等特征;与窄带系统相比,宽频带具有更高的传输速度、更强的抗多径干扰能力和更低的资源占用率;高增益天线具备更强的方向性,其接收/发射能力更强。由于微带天线具有质轻、体积小、易于集成、易于实现圆极化等优势,已得到了广泛的关注与研究。因此圆极化宽频带高增益微带天线凭借其诸多优势更具有竞争力,从而得以快速发展,并成为了研究焦点之一。结合实际情况,本文主要设计分析了宽轴比波束微带天线和宽带高增益圆极化微带阵列天线。首先,介绍了研究背景与意义,并简述了圆极化微带天线和微带阵列天线的相关理论;其次,设计了两种天线单元分别为3 dB轴比波束宽度为230°的宽轴比波束微带天线单元,和带宽为19.2%、峰值增益为10.1 dB的宽带准八木微带天线单元,研究了其辐射机理,并对其参数变量进行了分析;然后,设计了一种尺寸为0.61λ_0×0.61λ_0×0.011λ_0(λ_0中心频率的自然波长)的紧凑型宽带顺序相移(Sequential-phase,SP)馈电网络,研究分析了其工作原理和性能参数;最后,在所设计的天线单元和馈电网络的基础上设计了两种新颖结构应用于C波段的基于SP馈电网络的微带阵列天线分别为实测结果显示带宽为43.9%、3 dB轴比带宽为40%、均交叉极化比为15 dB、峰值增益为9.9 dB的宽带右旋圆极化矩形微带阵列天线,和仿真结果显示带宽为58.8%、3 dB轴比波束宽度为-100°~70°、峰值增益为20.88 dB的宽带左旋圆极化准八木微带阵列天线,研究了其辐射机理,分析了其参数对各项性能的影响。对所设计的几种天线加工了实物,并在中国电科三十九研究所的微波暗室完成了测试,且测试结果与仿真结果基本吻合,验证了设计的合理性。
【学位授予单位】：西安邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN820
【图文】：

微带天线,基本形式,定向天线

[3]，至此微带天线引起了广泛的研究与快速发展，并主要研发应用了图1.1所示的几种基本形式。由于定向天线的数据传输率和接收质量高，所以是长距离无线通信和无线电力传输所必要的。随着无线通信产业的快速发展，低成本，低剖面和宽带定向天线的需求正在增加。微带天线是众所周知的定向天线，以及与常规天线相比，其具有低成本，低剖面，易制作，轻质，体积小，散射截面积小，易于实现圆极化并与载体共形，性能稳定并易与电路板集成等独特优势[1]，所以其适合大规模生产及应用，并有利于简化加工与调试，以及降低成本。进而促使新型结构微带线辐射贴片介质基板接地板

模型图,文献,模型,馈电网络

其宽边一般都达到普通微带贴片的 1.5 ~ 2 倍。另外为了展宽 3 dB 轴比波束宽度（Axial Ratio Beamwidth, ARBW）以便在更大范围接收无线信号，迄今为止研究者已开发出三种典型的设计方法[10-15]。其一螺旋天线。通过调整螺旋天线的俯仰角或叠加由正常模式与轴向模式产生的两个辐射模式来展宽 ARBW，文献[11]实现的 3 dBARBW 可达到 90°。其二，利用旋构。通常被视为由多个相同的偶极子和 90°移相功分器馈电网络组成的旋转对称[12-13]，其可以通过控制旋转阵列的阵列因子实现 150°的 3 dB ARBW[12]。其三，宽半功率波束宽度的前提下，降低天线的电尺寸[14-15]。可以通过减小接地板实现的 3 dB ARBW[14]，然而使用这种方法的天线通常有较高的剖面。因此，设计一有较宽 3 dBARBW 并保持低剖面的非旋转 CP 天线对于设计者是一个挑战[16]。基于 SP 馈电网络微带阵列天线的研究现状传统的 CP 天线通过单馈或双馈来激励两个正交的模，使相位相差 90°，且大部列天线采用切角微扰的方式设计天线单元，所以其带宽窄（< 13%）[17]，增益低dB)，效率低，功率容量小（<100 W）等[1, 7]，已不能满足一些设备的需求。

【参考文献】