Ka波段宽带圆极化微带阵列天线研究与设计

发布时间：2020-07-28 14:44

【摘要】：微带天线具有重量轻、剖面小、成本低等优点。而毫米波同时兼备了微波与红外波的特点。因此,毫米波微带天线在卫星遥感、探测制导、引信系统等领域得到了广泛应用。本文基于毫米波微带天线项目需求,设计了三款Ka波段微带阵列天线:4×4宽带口径耦合阵列天线、4×4宽带圆极化阵列天线、8×8圆极化相控阵天线。首先,介绍了微带天线基础知识和参数,详细阐述了微带天线的分析方法,为下文设计阵列天线提供理论依据。其次,研究了微带天线拓展带宽的方法,设计了一款8毫米波段的4×4阵列天线,采用口径耦合馈电拓展带宽。仿真结果表明,在35GHz中心频率上的增益达到了18dB,S11-10dB 的带宽达到了 17.1%。然后,研究了微带天线圆极化原理,鉴于圆形贴片的优点,首次提出了采用圆形贴片取代传统矩形贴片作为圆极化贴片单元,最后设计了一副十六端口等幅不同相功分器形成相邻单元90°相位差,完成了一款4×4圆极化微带阵列天线。仿真结果表示:在35GHz工作频点上左旋圆极化增益达到了 18dB,轴比带宽达到了 3GHz,并且S11-10dB的带宽达到了 17%,在主瓣宽度范围内的天线轴比小于3dB。最后,研究了阵列天线波束扫描的原理,通过连续相位旋转法设计了一款8×8圆极化相控阵天线。仿真结果表明:在35GHz中心频率上增益达到了 20dB以上,并且半功率波束宽度小于9°。天线波束可以俯仰角上实现±30°的扫描,在主瓣宽度范围内轴比小于3dB。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN822
【图文】：

火控雷达

１．２毫米波微带阵列天线研究现状逡逑早从１９７６年开始，研究人员就开始研究将微带天线应用到毫米波频段。在这其中，逡逑Ｍ．Ａ．Ｗｅｉｓｓ最早开始对毫米波微带天线阵列进行研宄，主要研宄了邋３５ＧＨｚ的４ｘ４阵列天逡逑线。贴片单元蚀刻在厚度为５ｍｉｌ的Ｒｏｇｅｒｓ邋４３５０Ｂ基板上。采用的馈电方式是并联馈电。逡逑测得的结果是天线增益达到了邋１７ｄＢ，在可用范围内ＶＳＷＲ＜１．７，主瓣宽度为２０°，辐射效逡逑率达到了邋７５％？８５％【８］。逡逑在这之后，Ｍ．Ａ．Ｗｅｉｓｓ又做了改进，在５ｍｉｌ和ｌＯｍｉｌ厚的Ｄｕｒｏｉｄ４３５０Ｂ基板上，分逡逑别逡逑制作了邋４ｘ４均匀照射的天线阵列，分别工作在３６．６ＧＨｚ和６０ＧＨｚ。结果显示３６．６ＧＨｚ逡逑的天线阵列增益达到了邋１６ｄＢ１９］。第二年，Ｍ．Ａ．Ｗｅｉｓｓ和Ｒ．Ｂ．Ｃａｓｓｅ丨共同研制了邋３２ｘ３２的逡逑天线阵列，工作频率为３８．４ＧＨｚ，蚀刻在５ｍｉｌ厚的Ｄｕｒｉｏｄ４３５０Ｂ介质基板上并进行测试，逡逑发现Ｅ面和Ｈ面的副瓣电均低于－２０ｄＢ。同时测得薄介质基板上的不等幅电流造成的损逡逑耗为４ｄＢ＿。逡逑１９７８年，Ｊ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ设计了邋１６ｘ１６的天线阵列，频率为３６ＧＨｚ，并利用光刻技术刻逡逑

微带天线,类型,微带贴片

阻抗或电压驻波比带宽。逡逑２．２微带天线基本分类逡逑微带天线中，最常见的是微带贴片，如图２．３（ａ）所示。一般情况下微带贴片位于带逡逑有接地板的介质基片上。天线馈电时为了使微带贴片与接地板之间激励起电磁场，常用逡逑的方法有微带线馈电和同轴线馈电。微带贴片的剖面与波长相比一般很小，仅为十分之逡逑一甚至几十分之一，因此经常作为小型化天线使用。逡逑微带贴片形状一般都是规则的。常见的如矩形、圆形或者正方形薄片；也可以是由逡逑薄片振子形成的微带振子天线，如图２．３（ｂ）所示。还有就是微带线形天线，利用形变之逡逑后的微带线作为辐射单元，如图２．３（ｃ）。最后就是微带缝隙天线，在辐射面上蚀刻缝隙逡逑形成电流不连续区域，向空间辐射电磁波，如图２．３（ｄ）所示１３４］。这４种是微带天线单元逡逑的主要形式，除此以外，还有一些变形、混合形式或其他形式，但是并不是常用的，在逡逑此就不做介绍。逡逑微带义＾逦７：贴片逦槽嗖邋ｘ＾逡逑ａ）逦接地逦ｂ）逡逑ｒ逦微带线

电场分布,矩形贴片天线,传输线模型,辐射场

用于对薄矩形贴片的分析。它的核心理论就是将矩形贴片天线等效为一段微带传输线，逡逑两端由辐射缝隙的等效导纳加载。逡逑如图２．４（ａ）所示，矩形微带贴片长宽分别为ｂ和ａ，厚度该贴片等效为一段逡逑尺寸为ｂｕ的微带传输线，沿长度ｂ方向的终端呈现开路，因而形成电压波腹，也就是逡逑说贴片与地之间内场的电场强度｜Ｅ｜最大。一般取其中心为微带线上波长。如此则逡逑ｂ边另一端也为电压波腹。而天线的辐射由ａ边缝隙形成。逡逑这两边被称为辐射边，因此矩形贴片可等效为相距ｂ的两条具有复导纳Ｇｓ＋ｊＢｓ的缝逡逑隙，等效电路如图２．４（ｂ）所示。逡逑Ｚ逡逑－逦ｂ＝Ｘ＾／２逦逡逑＂ｎ逦［［逦＾ｒｑ逦ｎ逡逑—｜＾）逦！邋＾邋Ｙ逦Ｙｍ邋—？邋Ｇ＊逦ＪＢ．逦ＪＢ．逦Ｇ．逡逑｜ＴＸ逦ｊ邋ａ逦Ｕ逦Ｌ逡逑１逦Ｈｉ邋—逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图２．４矩形贴片天线的传输线模型逡逑天线的总辐射场就等于两条缝隙的辐射场叠加。根据等效原理，窄缝上电场的辐射逡逑可等效为面磁流的辐射。窄缝上的电场分布如图２．５（ａ）所示，即：逡逑Ｅ＝ｘＥ０邋ｃｏｓ—逦（２．２２）逡逑ｂ逡逑因而等效的面磁流密度为：逡逑ｙ＝０处ａ边缝隙：逡逑＝邋－？ｘ邋￡｜ｔ邋0邋＝邋ｙ邋ｘ邋ｉＥ０邋＝邋－ｚＥ０逦（２．２３）逡逑ｙ＝ｂ处ａ边缝隙：逡逑＝４－？ｘ￡［邋＾＝ｙｘｉ（－Ｅ０）＾－ｚＥ０逦（２．２４）逡逑可以看出，沿两条ａ边的磁流是同向的，如图２．５（ｂ）所示。因此其辐射场在贴片法线方逡逑向取最大值，且幅值随着偏离此方向的角

【参考文献】