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锥状波束天线的研究

齐世山  
【摘要】:锥状波束天线具有波束倾斜、波束覆盖范围大、极化径向对称等特性,近年来在车载卫星通信、无线本地局域网、导航跟踪等系统中得到了广泛应用。本文对大角度、低副瓣、平面化、圆极化、X波段单频双角度、X/Ka波段双频单角度、X/Ka波段双频双角度锥状波束天线做了细致的研究,主要内容如下: (1)通过多级圆波导结构设计了一个大角度、低副瓣锥状波束天线。加入两级圆波导不连续性台阶控制口径上的场分布,以实现所要求的波瓣图和回波损耗性能。采用模式匹配法对该多级圆波导口径天线进行分析,并结合遗传算法对几何参数进行优化。利用该方法设计了一个工作频率为35GHz,-10dB阻抗带宽为550MHz,波束指向角为50度,副瓣电平为-11dB,增益为8.1dB的锥状波束天线。 (2)分析了一个宽带圆口径锥状波束天线。利用印刷同心环结构将工作在35GHz的圆口径天线的阻抗带宽提高至12.2%。该结构具有低剖面、易加工等特性,尤其是在毫米波频段有重要的意义。采用模式匹配法对该圆口径锥状波束天线进行了分析,并结合遗传算法对几何参数进行了优化。在32.8GHz到37.1GHz的-10dB阻抗带宽内实现了24度到31度的波束指向角、8dB到9.3dB的增益。 (3)利用圆波导中的TMo1和TE01两个正交模式设计实现了圆极化锥状波束天线。通过一个印刷钩子结构激励圆波导中的TEo1模式,通过探针激励圆波导中的TMo1模式,同时又由于圆波导中TM01和TE01传播相速不同,因此通过对钩子、激励探针以及圆波导长度的调整,可以使两个正交模式等幅且相位差为90度。实验结果表明该圆极化锥状波束天线波束指向角为29度、圆极化增益为7.6dB、阻抗带宽和轴比带宽为600MHz。 (4)利用波束切换技术实现了大波束覆盖范围的锥状波束天线。通过使圆贴片天线工作在不同的模式,实现了不同波束指向角的锥状波束天线。利用高速单刀双掷开关对两个不同波束指向角的锥状波束进行快速切换,实现了一个等效的大波束覆盖范围的锥状波束天线。采用顶加载圆贴片的结构来提高天线的阻抗带宽。 (5)利用套叠喇叭结构设计实现了工作在X波段双波束指向角、X/Ka波段单/双波束指向角的锥状波束天线。两个锥状波束天线分别用同轴波导喇叭和圆波导喇叭实现。用圆波导喇叭代替同轴波导喇叭的内导体实现套叠结构。设计了一个TE01模矩形波导到TEM模同轴波导的渐变,并结合一分四功分器来激励同轴波导喇叭。圆波导喇叭直接用标准SMA进行馈电。该结构可以充分利用天线的口径,并且在X/Ka波段加工方便。


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