微带共形阵列天线研究与应用

发布时间：2017-12-16 21:14

  本文关键词：微带共形阵列天线研究与应用

  更多相关文章： 微带天线 共形天线 负介电常数传输线 互耦 背腔 高次模 高隔离度

【摘要】：近几十年来,平面阵列天线的研究取得了长足的进展,并在很多领域得到了广泛的应用,但同时也暴露出一些难以克服的缺陷。例如,波束扫描角度范围有限,随着波束扫描角度的增大增益降低波瓣变宽等。而共形阵列天线作为平面阵列天线概念的延伸,可以很好的解决这些难题。另一方面,微带天线,因为其低剖面、重量轻、低成本、易共形等优点是设计共形天线时理想的天线形式。微带共形天线整合了两者的优势,在未来有着非常广泛的应用前景。尽管微带天线具有诸多优势,但是也有一些不足之处有待改进,例如带宽窄,前后比受制于地板大小,会在介质中激励起表面波加剧阵列环境中阵元间互耦等。本论文旨在传统微带天线基础上,研究一些新方法新机理以改善微带天线性能,拓展其在共形天线当中的应用,主要工作及创新点概括如下:第一、基于负介电常数传输线(ENG TL)的环加载微带天线单元及阵列研究。提出了一种改善微带天线性能的新方法,即在传统微带天线周围加载基于ENG TL的寄生环。与传统微带天线相比,通过该方法可以展宽天线阻抗带宽,减小水平方向及后向辐射,抑制介质中表面波激励,降低阵列环境中阵元间的互耦。首先,基于这种新方法,设计了线极化与圆极化的单元天线,并与传统微带天线做对比,通过对ENG TL单元结构色散分析以及天线关键参数的讨论阐述了这种新方法的工作机理。其次,考察了基于ENG TL的环加载微带天线单元共形于圆柱载体时,载体半径的变化对天线性能的影响。最后,探索了基于ENG TL的环加载微带天线在共形阵列天线当中的应用,设计和分析了沿圆锥载体母线方向共形的均匀线阵,沿圆锥载体周向共形的均匀线阵和沿圆柱载体共形的稀布线阵,并且结合有源方向图方法和杂草入侵算法对阵元幅相分布进行优化以达到设计目的。为了验证方法和设计的有效性,加工了天线单元和阵列实物并进行了测试,实测与仿真结果吻合良好。第二、基于高次模的背腔缝隙天线研究。传统微带天线阵设计通常采用外接馈电网络的方式来给阵元馈电,虽然可以实现高增益,但是馈电网络的加入一方面增加了天线的设计和加工难度,另一方面引入插损降低了天线效率。针对这个问题,提出利用腔体高次模的馈电方法,可以在不需要外接馈电网络的情况下即可实现较高增益。首先采用这种馈电方法分电激励和磁激励设计了两款单点馈电线极化背腔高增益缝隙天线,接着在这基础上通过加盖一层极化转换器将线极化天线转变成圆极化天线,并且天线圆极化状态可以通过极化转换器旋向来调整。其次,通过增加腔体介质厚度的电尺寸和加载圆孔的方式,成功实现了一款可用于毫米波频段的宽带高增益高效率背腔缝隙天线。再次,讨论了基于高次模的背腔缝隙天线共形于圆柱载体时,载体半径的变化对天线性能的影响。最后,将基于高次模背腔缝隙天线应用到共形天线设计当中,分三种不同的应用场景分别设计了垂直极化全向天线,基于TE150模式的柱面共形相控阵天线和通过开关切换可实现半空间圆极化覆盖的准球面共形天线阵。第三、高隔离度准共形微带天线阵研究。在很多实际的阵列天线应用当中,往往期望阵元之间具有较高的隔离度。本文结合实际应用,设计了可应用于WLAN MIMO系统的高隔离度准共形微带天线阵。采用带状线馈电口径耦合的微带天线形式作为单元天线,相较于边馈或者底馈形式的微带天线,口径耦合微带天线在带宽和交叉极化方面表现更加出色。接着将设计的单元天线共形到正六棱柱或棱锥的侧面上,通过在天线背后引入扼流槽地板和单元间加载沟槽的技术手段大幅提高了单元间的隔离度。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN822

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本文编号：1297485