近场聚焦相控阵天线设计及其应用研究

发布时间：2020-07-02 10:29

【摘要】：相控阵天线以其高增益、易于波束赋形、快速的波束扫描能力等优势,广泛应用于雷达、天文、通信等领域。然而,大部分有关相控阵天线的报道侧重于研究其远场辐射特性。近年来,天线的近场(菲涅尔区)特性得到了越来越多的关注。在某些特定的应用场合,如RFID(射频识别)系统、遥感与工业检测、微波热疗、门禁系统、无线能量传输和微波成像,目标位于天线的近场区,故为了提高系统效率、减小干扰,需要将天线能量聚焦在近场区。在近场聚焦这个研究方向上,科研工作者报道了诸多不同的解决方案,如透镜、反射面、调制阻抗表面、相控阵天线等。然而,大部分文献实现的均为近场固定焦点聚焦,很少有关于焦点扫描的研究。本文的研究重点为近场聚焦的相控阵天线,做出的主要贡献包含:1.相控聚焦阵的简化建模与理论分析。聚焦阵不同于远场波束扫描的阵列,其阵列口径面的激励相位分布不具备周期性,且不同天线单元到空间点的增益、极化上具有不同特性,因此在仿真中无法使用周期性边界条件,需要大量时间进行完整的阵列仿真。在建模与理论分析方面,本文结合几何光学法与矢量分析计算相控聚焦阵在近场的场分布,大幅度提高了天线设计的效率。2.相控聚焦阵单元的研究与设计。(a)提出基于子阵的近场聚焦阵列天线。基于天线的多端口网络电路等效模型设计子阵,每个子阵由一个有源单元和三个寄生单元构成,增大了有源单元间距,并通过子阵方向图抑制由此带来的栅瓣。相比传统聚焦阵,该方法子阵级并行馈电结构简单,便于布线设计和降低互耦;子阵内部采取串馈结构,损耗低。(b)提出一种近场聚焦的开槽天线阵列。通过在适当位置采样并设置辐射槽,使每个槽辐射的能量同相到达设计的焦点处实现聚焦波束。该天线结构简单,在保证近场聚焦性能的前提下,损耗更低、辐射效率更高,且具备在高度方向上的焦点频率扫描能力。(c)双极化微带天线单元的研究。设计具有宽角、宽带扫描能力的双极化微带天线单元,适用于宽带双极化近场聚焦阵列。在近场,即使焦点固定,不同单元指向焦点的方向也不同,因此天线单元需要在宽角扫描时具有低有源驻波。3.聚焦波束的扫描研究。(a)首次提出具有二维焦点扫描能力的相控聚焦阵列。该相控阵结合了一个维度的频率扫描和另一个维度的相控扫描,实现焦点在焦平面上的二维扫描。频率扫描的引入大大减少了阵列控制部件的数量,从而降低成本。(b)提出一种焦距可调的聚焦阵列。该天线采取频率扫描,不需要任何相位控制部件,在保证天线性能的前提下大大地节省了成本。4.相控聚焦阵的应用研究。(a)相控聚焦阵在微波成像中的应用。聚焦阵在近场具有低副瓣、窄波束的优点,用于近场成像系统中时,可以提高成像质量。另外通过频率扫描和相控扫描的结合,可以节省大量波束合成部件或开关的数量,大幅度降低成本。(b)相控聚焦阵在无线能量传输中的应用。通过合理设计发射相控阵的阵面激励分布,使其到达接收天线的能量传输效率最大化。与已经报道过的文献不同之处在于,本工作探讨了目标位置移动时如何实时相控,以及在特殊应用场合,如远距离、固定目标时的设计建议。(c)相控聚焦阵在近场测量系统中的应用。制定方案,决定相控阵的规模、单元间距和输入功率,达到近场某球面聚焦时,波束宽度、电场强度、扫描范围等要求。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN821.8

【参考文献】