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微带相控阵天线的分析与设计

沈洁  
【摘要】: 如今商业上车载预警雷达、无线通信以及射频识别等方面对天线方向图灵活控制的要求越来越高,从而使能够满足这些新需求的实用相控阵天线的研究成为许多学者研究和关注的对象。本文在详细分析C形EBG结构的带隙特性、反射式模拟移相器以及单片机控制移相电路原理的基础上,设计制作了一个工作于2.4GHz带有EBG结构的四单元微带相控阵天线系统,测试结果表明:该天线可以实现-30°~30°波束连续扫描。为相控阵天线系统的应用奠定了良好的基础。 本文首先设计了一种C形高阻表面EBG结构,在对该结构的带隙特性进行详细仿真分析的基础上,将它应用于四单元线性阵列天线的去耦设计中,由于EBG结构降低了单元间的耦合,天线的辐射性能有了明显的改善。 接着,本文设计了微带反射式模拟移相器和Wilkinson功分器,文中给出了详细的设计过程,并对其进行实物加工。移相器的测量结果表明,在中心频率2.4GHz处,移相器的相移度达到了近230°,插入损耗在-1.45dB ~ -3.5dB内变化。Wilkinson功分器实测结果表明,输入输出端口回波损耗均小于-20dB,输入和输出端口间的传输损耗为-3.65dB,两输出端口间的隔离度为-21dB。 然后,采用STC89C51单片机作为核心部件,设计实现了基于单片机的移相控制电路。该电路通过改变输入的四路数字量来改变输出电压值,经集成运放放大后输出所需电压,并在数码管上显示当前扫描角度。 最后,将所设计的EBG结构、微带四单元线阵、移相网络、馈电网络以及移相器控制电路,经过合理布局得到相控阵天线系统。仿真结果表明:加入C形EBG结构后,天线的主瓣增益由未加时的11.45dBi增加到12.28dBi,后瓣电平则由-0.77dBi减小到-3.04dBi,前后辐射比增大了3.1dBi。测试结果表明:该天线能够在中心频率2.4GHz处,实现-30°~30°连续波束扫描。 另外,论文提出了一款三单元H形缝隙耦合馈电贴片ESPAR相控阵天线,该天线通过分别改变加在两侧寄生辐射贴片馈电端的直流控制电压来改变相应的电抗加载值,从而使其实现宽波束扫描。文中给出了该天线的详细分析以及电磁仿真结果,结果表明:该天线在H面上能实现-30°到30°的宽波束扫描。


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