超宽带双极化天线的设计与实现

发布时间：2020-11-16 08:54

　　 随着电磁信号环境变得密集复杂,雷达侦察设备的性能也在逐渐加强。双极化技术能够同时接收电磁波的全部极化信息,具有较强的抗干扰能力、极化复用和极化捷变等能力。超宽带技术具有抗干扰能力强和隐蔽性好等优点。天线的性能对雷达侦察系统起到了关键性作用。将超宽带双极化天线应用到雷达侦察系统中可以提升系统性能。本文以雷达侦察为应用背景,设计适用于雷达侦察系统的双极化天线。本文具体研究内容如下:(1)互补对数周期超宽带双极化天线。针对雷达侦察系统工作频率为2-18GHz的情况,设计了一款双极化对数周期天线(Log-Periodic Antenna,LPA),该天线的设计原理为电与磁对偶原理。当电偶极子和磁偶极子相距λ/4时,天线的互补特性最佳,双极化天线在空间任一点处都是正交的,具有低剖面、高隔离度和低交叉极化的特点。该天线工作带宽为0.8-18GHz,隔离度高于34.06dB,交叉极化低于-22dB,在φ=0°时,天线的正交性能达到理论极限,且体积上比其他双极化对数周期天线减少一半。仿真结果与理论分析一致。(2)改进型巴仑的双极化Vivaldi天线。由于设计的双极化对数周期天线的体积和质量均较大,给实际应用带来了困难,为此设计了双极化Vivaldi天线。该天线采用阻抗匹配的设计方法,其中槽线和弯折的共面带状线构成新型巴仑结构。通过切角的方法,改变天线的电流分布,从而提高天线隔离度。该天线的工作带宽为2-8.834GHz,交叉极化低于-15dB,隔离度高于15dB,在-24°～28°之间正交。对天线加工测试,实验表明测试结果与仿真结果吻合。虽然该双极化Vivaldi天线比双极化对数周期天线的体积和质量明显减小,但工作带宽变窄。(3)基于缝隙-铁氧体超宽带双极化天线。铁氧体材料具有高磁导率和高介电常数的特点,有助于缩减天线体积。随着偏置磁场不断升高,铁磁共振峰不断向高频移动。首先,推导矩形铁氧体谐振器天线(Ferrite Resonator Antenna,FRA)工作在TE模时的理论公式,建立同轴馈电的线极化铁氧体谐振器天线模型。然后,采用非对称式结构实现双极化天线,另一个端口采用微带缝隙耦合的馈电方式。该天线的工作带宽为2-18GHz,在-72°～0°之间正交。仿真结果与理论分析一致。天线的尺寸较小,且满足指标要求。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN821.1
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表 2-1 PLPD 的初始结构尺寸表（mm）参数 尺寸 参数 尺寸集合线宽(w_feed) 1.96 最长振子线宽(W1) 2.58振子长度与半径之比(k) 100 介质板厚度(sub_high) 1最长振子到虚顶点距离(R1) 114.96 最长振子长度(L1) 82.11缩比因子( ) 0.8 半顶角( ) 0.14根据初建模型的仿真结果来看，天线的方向图具有端射特性，增益较高。该天线在短振子侧采用 50Ω 的同轴电缆进行馈电，如果出现阻抗失配问题，会导致 S11不理想，而集合线的阻抗值取决于集合线宽。图 2-5 为集合线宽对回波损耗影响的仿真结果。随着线宽的变小，S11 明显改善，0.8-1.2GHz 频段的 S11 也降到-10dB，此时集合线宽(w_feed)为 1mm。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表 2-1 PLPD 的初始结构尺寸表（mm）参数 尺寸 参数 尺寸集合线宽(w_feed) 1.96 最长振子线宽(W1) 2.58振子长度与半径之比(k) 100 介质板厚度(sub_high) 1最长振子到虚顶点距离(R1) 114.96 最长振子长度(L1) 82.11缩比因子( ) 0.8 半顶角( ) 0.14根据初建模型的仿真结果来看，天线的方向图具有端射特性，增益较高。该天线在短振子侧采用 50Ω 的同轴电缆进行馈电，如果出现阻抗失配问题，会导致 S11不理想，而集合线的阻抗值取决于集合线宽。图 2-5 为集合线宽对回波损耗影响的仿真结果。随着线宽的变小，S11 明显改善，0.8-1.2GHz 频段的 S11 也降到-10dB，此时集合线宽(w_feed)为 1mm。

随着线宽的变小，S11 明显改善，0.8-1.2GHz 频段的 S11 也降到-10dB，此时集合线宽(w_feed)为 1mm。图 2-4 PLPD 的 S11 仿真结果 图 2-5 集合线宽对 PLPD 的 S11 影响在对数周期天线高频处增加振子数目可以降低高频部分的回波损耗，提高天线增益，仿真结果如图 2-6 所示。增加振子数目的天线模型低频部分的 S11 与集合线宽最优时的结果一致，高频部分的 S11 有明显改善，在 0.8-18GHz 范围内天线的 S11 在-10dB 以下，性能良好。由于在高频部分增加振子数目，给机械加工造成困难，因此将宽度低于 0.1mm 的振子宽度均改为 0.1mm，仿真结果如图 2-7 所示。
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本文编号：2885889