低副瓣波导缝隙天线及新型透镜天线研究

发布时间：2020-04-08 04:17

【摘要】：随着电磁波研究频率趋于高频,卫星天线的设计面临着巨大挑战。为了实现远距离传输,天线通常需要具有高增益、低副瓣的特性,其工作带宽、尺寸、成本和重量也是设计的重要指标。在高频频段若采用介质材料,会产生很大的损耗,因而尽量使用纯金属结构来避免介质损耗。常用的高增益、低副瓣天线有平面阵列天线、透镜天线以及反射面天线,各有其优缺点。本文主要对低副瓣平板阵列天线及透镜天线进行了研究。首先,本文设计了一个X频段单脉冲天线。根据指标要求,确定天线由八根窄边波导行波阵构成。并依据泰勒分布计算阵列中缝隙单元的激励幅度,得到每个缝隙的尺寸,从而实现天线方位面的低副瓣设计。在天线阵面一端接有实现单脉冲及低副瓣特性馈电网络,主要由不等分功分器及魔T构成。经过仿真,天线在方位面副瓣低于-27.5 dB,俯仰面副瓣低于-26 dB,工作频带范围内天线驻波比小于1.2。其次,本文设计了一种宽带低副瓣缝隙平板阵列天线。天线分为四层结构依次为:波导馈电网络,耦合缝隙,高次模谐振腔体,辐射缝隙。由于耦合缝隙及谐振腔的存在,天线的带宽比传统波导缝隙驻波阵有所提升。馈电网络通过泰勒分布实现天线的低副瓣性能。通过仿真分析此天线回波损耗在-14 dB以下带宽达到9.3%,副瓣低于-20 dB。之后,我们利用新型传输结构脊间隙波导设计了宽带低副瓣平板阵列天线。该天线与上述天线结构相类似。由馈电网络,耦合缝隙,高次模谐振腔体,辐射缝隙构成。馈电网络依旧采用泰勒分布实现低副瓣。通过仿真分析此天线回波损耗在-14 dB以下带宽达到19.14%,副瓣低于-20 dB。可以看出采用脊间隙波导结构,天线的工作带宽有了明显的提升。并且相对于波导平板阵列,利用脊间隙波导结构,天线的上下层金属间不需要接触,为半封闭结构,避免了波导连接处带来的误差。最后,我们设计了一种基于间隙波导半高销钉结构的新型透镜天线。透镜单元为上下布满销钉的金属板,且上下销钉在周期排布方向平移二分之一单元周期。相比于超材料制作的透镜,此结构在超宽频带范围内有稳定的电磁特性且没有介质损耗。仿真天线带宽达到83.87%。此外,这种结构成本低、易加工。通过调整销钉高度,单元折射率变化范围为1~1.4,满足龙伯透镜的折射率分布。为了验证方案可行性,我们对此透镜天线进行实物加工并进行测试,实测结果良好,验证了此透镜天线设计的可行性。
【图文】：

波导,间隙

第一章绪论隙波导的发展现状 P.-S. Kildal 在 2008 年提出的一种新结构[21]，利用了 EBG 周期排布结构中添加电磁波传导结构，，这样电磁波能够设计好的路线进行传播，例如，金属脊、金属槽或者微带。电磁波在上下两层金属板之间的空气层中传播，避免了而引发学者们的深入研究。2009 年 P.-S. Kildal 把脊间隙, RGW)进行加工验证了方案的可信性，如图 1.1(a)，在有金够有效地沿着脊传播，向销钉区域泄露的电磁波能量很少究制作了槽间隙波导(Groove Gap Waveguide, GGW)[23]，如 97GHz~118GHz。传统波导因为其损耗低，工程中经常使于波导加工精度要求较高，所以对间隙波导的研究有很大

微波器件,波导,间隙

(b)空腔滤波器[29](c)基于间隙波导的微带滤波器[31]图 1. 2 间隙波导微波器件应用被应用于天线领域。在 2013 年，Per-SimonKildal 设计并制作列[32]，如图 1.3(a)；2016 年，Miguel Ferrando-Rocher 等人利计了缝隙天线阵列[33]，如图 1.3(b)；2017 年，Milad Sharifi型 EBG 结构设计了一种磁电偶极子天线阵列[34]，如图 1.3(c)；Sorkherizi 用槽间隙波导结构设计了一款应用于 Ka 频段的双工导将双工器集成于馈电网络中，如图 1.3(d)；Ali.Farahbakhsh阵列上的研究也有着显著的成果[35][37][38][39]，如图 1.3(e)。
【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】：2019
【分类号】：TN821.5

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