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行波结构辐射机理及新型漏波天线研究

李铮  
【摘要】:行波天线是常见的天线形式,利用行波结构制成的漏波天线是一类在实际中得到广泛应用的行波天线。近年来,新材料和新结构的不断涌现给漏波天线的发展带来了新的机遇,如利用左右手复合传输线结构以及基片集成波导结构研制新型漏波天线已经成为天线领域的一个研究热点。本文旨在研究行波结构的辐射机理,并结合电磁新材料和新技术探索新型漏波天线的结构,提升漏波天线的辐射性能;主要对新型左右手复合传输线结构漏波天线、有限长周期性漏波结构的辐射机理、漏波天线辐射场空间分布的控制方法等进行了深入的研究。 本文的主要工作和创新点如下: 1.提出了一种新型的金属-绝缘体-金属(MIM)平行板电容结构,其单位面积电容量是现有平行板电容的四倍,可使左右手复合结构进一步小型化。采用这种电容设计了新型左右手复合传输线,研究了其传输特性。在此基础上,研制了左右手复合传输线漏波天线,该天线具有波束随频率变化连续扫描的能力,且侧向辐射场强保持连续。 2.提出了估算左右手复合结构漏波天线辐射方向图的两种新方法,即改进的阵因子方法(阵元为有方向性的电流源)和行波线源积分法。相比于传统方法,这两种方法可以得到空间各个方向上更为准确的辐射场结果。 3.提出了有效辐射段理论,并针对慢波和快波两种情况进行了深入的研究,从一个新的角度阐释了行波结构的辐射机理;该理论指出行波结构的远区辐射场主要由其上的有效辐射段决定,其它辐射段的辐射场相互抵消,对总辐射场的贡献很小。推导了基于有效辐射段的辐射方向图计算公式,分析了有效辐射段的位置以及行波结构的衰减常数对辐射方向图计算结果的影响。 4.基于有效辐射段理论,提出了在漏波天线辐射方向图中形成低辐射区域的有效辐射段辐射抑制方法,研究了低辐射区域的角度范围和零点深度与天线结构参数问的关系。采用该方法实现了基片集成波导长直缝隙漏波天线某些特定方向的低辐射,并同时将交叉极化控制在较低的水平。 5.提出了利用有效辐射段理论抑制漏波天线副瓣电平的方法,并将其应用于基片集成波导长直缝隙漏波天线的研究,有效抑制了漏波天线的副瓣电平,同时使漏波天线具有很低的交叉极化。 6.采用空间谐波展开(模式展开)法研究了周期性漏波结构的近场组成,推导了近场中各模式在直角坐标下的展开公式;分析了该方法在不同口面场分布情况下的收敛性。在此基础上,研究了有限长周期性漏波结构在满足单模辐射条件下的近场组成及其远场辐射特性,分析了除辐射模式以外的其它束缚模式对辐射场的影响。研究了各模式所对应的有效辐射段,并利用辐射场重建的方法,证明了有限长周期性漏波结构的辐射场可由其近场中各模式所对应的有效辐射段产生的辐射场叠加求得。


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