高增益宽频带圆极化螺旋偶极子天线的研究与设计

发布时间：2020-10-18 02:10

　　 轴向模螺旋天线是一种性能优异的圆极化天线,被广泛应用于卫星通信、卫星定位及射频识别等领域。然而传统轴向模螺旋天线的螺旋圈数较多,剖面较高,这使其难以满足终端通信设备小型化的需求。本文的工工作主要围绕实现螺旋天线的低剖面、宽频化和高增益,具体研究内容和成果有:1、首先,我们研究了一种具有对称结构的双金属螺旋片辐射器,并设计了一款工作于UHF频段的片状螺旋偶极子天线。通过一个Wilkinson功分器和180°移相网络,对两个对称分布的片状金属螺旋片进行等幅反相激励,从而使整个螺旋天线工作于偶极子模式。与单螺旋相比,这种螺旋偶极子工作模式能显著增加天线增益并减小交叉极化。由于优化了天线结构的对称互补性,天线在整个工作频带内的方向图对称性得到很大改善。实测结果显示天线的圆极化轴比带宽(AR3dB)为65%(0.53-1.04GHz),最大增益达到11.2dBi且稳定。天线的尺寸为0.56λ0×0.56λ0× 0.56λ0,与传统轴向模螺旋天线相比剖面高度有大幅缩减。2、基于这种螺旋偶极子天线模型,设计了一款工作于5G毫米波段的螺旋偶极子天线。实现了在毫米波频段的宽带阻抗带宽(73%,21-45GHz)和圆极化带宽(70%,21.4-44.5GHz),能有效覆盖5G毫米波频段的工作频带。电磁仿真结果表明天线在工作频带内平均增益稳定在10dBi以上,前后比大于15dB,且整体尺寸约为0.47λ0× 0.47λ0× 0.66λ0。3、在上述5G毫米波螺旋天线单元基础上,设计了一个2×2的平面相控天线阵列。通过自旋转布阵方法大幅减小阵元之间的互耦效应,从而获得超宽的圆极化带宽(74%,23-50GHz)。同时,对天线阵列的波束扫描特性进行了分析。通过对激励元相位的控制,实现了主波束在±14°范围内圆锥形区域扫描功能。
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN823.31
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究意义
    1.2 研究背景
    1.3 研究现状
        1.3.1 天线宽频化技术
        1.3.2 天线高增益技术
    1.4 本文的研究工作及论文安排
第2章 螺旋天线基本理论
    2.1 螺旋天线几何结构
        2.1.1 传统柱面螺旋天线
        2.1.2 锥形螺旋天线
        2.1.3 球面螺旋天线
    2.2 螺旋天线辐射模式
        2.2.1 法向模螺旋天线
        2.2.2 轴向模螺旋天线
    2.3 轴向模螺旋天线的特性
        2.3.1 特性阻抗
        2.3.2 轴比
        2.3.3 方向性系数和增益
        2.3.4 波束宽度与增益带宽
    2.4 本章小结
第3章 片状螺旋偶极子天线的设计
    3.1 引言
    3.2 天线基本结构
    3.3 片状螺旋偶极子天线的优势
    3.4 片状螺旋偶极子设计原理简介
    3.5 有限接地板螺旋偶极子天线
        3.5.1 双渐变螺旋辐射器
        3.5.2 微带巴伦馈电网络
        3.5.3 渐变阻抗转换器
        3.5.4 天线实物加工方案
        3.5.5 天线仿真与实测结果
    3.6 UHF-RFID读写器天线
        3.6.1 UHF-RFID系统工作原理
        3.6.2 UHF-RFID读写器天线性能要求
        3.6.3 螺旋偶极子天线在UHF-RFID应用中的优势
    3.7 本章小结
第4章 5G毫米波螺旋偶极子天线及其阵列设计
    4.1 引言
    4.2 5G毫米波螺旋偶极子设计
        4.2.1 单元天线结构
        4.2.2 天线性能仿真与数值分析
    4.3 螺旋阵列天线设计
        4.3.1 阵列天线基本原理
        4.3.2 四元螺旋阵列布局
        4.3.3 天线性能及数值分析
    4.4 本章小结
第5章 总结与展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间的研究成果

【参考文献】

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1 傅世强;周月;房少军;曹媛;;应用于海事卫星通信的低剖面变升角螺旋天线设计[J];电波科学学报;2013年01期

2 彭桦;吴玉成;于玺;杨建航;;基于GEMS对Ku波段螺旋阵列天线的设计优化[J];无线电通信技术;2012年02期

3 王晓岚;庞峰;;一种新型双臂螺旋天线的研究与设计[J];现代电子技术;2009年21期

4 赵泓懿;闫涛;王五兔;;宽角扫描圆极化相控阵天线轴比的优化设计[J];空间电子技术;2009年02期

5 李鹏程;;宽频带Schiffman 90°微带差分移相器[J];微波学报;1993年03期

本文编号：2845642