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低副瓣与圆极化宽带介质谐振器天线阵列研究

林嘉宏  
【摘要】:现代无线通信、卫星通信与导航以及雷达技术的迅猛发展对天线的宽带特性、极化特性以及低损耗性能提出了更高的要求。同时,随着无线电技术的发展,单一天线较低的增益和较差的方向性往往不能满足特定工作环境的要求,此时天线阵列的应用便体现出了极大的意义。为此,本论文提出了针对低副瓣与圆极化宽带介质谐振器天线阵列的多项创新性设计,并完成了实验验证。论文主要包括以下三个方面的内容:第一,提出了采用缝隙窗口和反射面板结构的C/X波段串联馈电低副瓣宽带介质谐振器天线阵列。在设计过程中,对矩形介质谐振器中的TM模式进行了讨论和验证,并对非等幅串联微带线馈电网络的结构进行了分析和优化。经加工测试验证,该天线阵列实现了38.1%的阻抗带宽(6.72~9.88 GHz)和6.82%的-20 d B副瓣电平带宽(7.22~7.73 GHz),且其最高天线增益和最低副瓣电平分别达到了15.7 d Bi(7.4 GHz)和-23.01 d B(7.54 GHz)。该设计阻抗带宽和副瓣电平的综合性能在现阶段发表的低副瓣宽带介质谐振器天线阵列相关研究成果中处于领先地位。第二,研制了两款针对60 GHz毫米波通信系统的低副瓣宽带介质谐振器天线阵列。两者分别采用了混合辐射结构和镂空结构介质谐振器以增加阵列单元天线的阻抗带宽,且分别使用了U型介质基板和双层介质基板结构以保证天线阵列的方向图性能。经仿真两款设计的阻抗带宽皆高于36%,最佳副瓣电平皆低于-27 d B,在57~66 GHz频段内的天线增益基本不低于13 d Bi,这些天线性能能够很好地满足IEEE 802.15以及ECMA 384标准中对于60 GHz频段短距离无线通信天线的性能要求。第三,设计了两款基于分形十字缝隙耦合阵列单元的圆极化介质谐振器天线阵列。其中,所设计的圆极化宽带介质谐振器天线阵列经测试可以实现38.3%(6.06~8.93 GHz)的有效轴比带宽(S11-10 d B且AR3 d B),带宽内峰值左旋圆极化增益为12.17 d Bi,其性能在现阶段发表的圆极化宽带介质谐振器天线阵列中处于领先水平。另一圆极化低副瓣介质谐振器天线阵列经测试实现了12.4%(6.58~7.45 GHz)的有效轴比带宽,且在该带宽内可以同时实现9.97%(6.67~7.37 GHz)的-15 d B副瓣电平带宽。而在现阶段发表的相关文献中,还很少见到其它关于圆极化低副瓣介质谐振器天线阵列的加工实测成果被发表。


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