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毫米波脊波导缝隙平面阵列天线的设计研究

曹燕  
【摘要】:波导缝隙天线是缝隙截断波导壁上表面电流,使波导腔内电磁波通过缝隙向外空间产生辐射的天线。波导缝隙天线结构紧凑,体积小,机械强度高,辐射口径分布易于控制,因此能实现较高的辐射效率,可以实现高增益、低副瓣。毫米波频谱广,信息容量大,波长短,分辨率高,穿透能力强,抗干扰能力强。毫米波波导缝隙天线兼具频段和天线类型的优势,并且因为更小的体积,更适合与载体共形,应用场景十分广泛,包括机载、舰载的导航、雷达等领域。本论文基于波导缝隙天线理论,围绕毫米波段高增益低副瓣小型化宽带化天线的分析和设计展开研究,主要工作如下:(1)脊波导结构分析设计首先根据脊波导尺寸小、带宽大的优势,选定其为天线小型化的实现载体。以同频段标准波导尺寸为初值,对脊波导尺寸进行仿真优化选择。首先设计了94GHz天线的脊波导,结构最终内横截面积为1.45mm~2,是W波段标准波导WR10横截面积的45%,且仿真结果显示脊波导中TE_(10)模的工作频段包含整个W波段。以相同方式,还设计了220GHz天线的辐射脊波导,其内横截面积为0.332 mm~2,是同频段标准波导WR4的55%。两款天线均利用脊波导实现小型化。(2)阵列口径分布设计根据高增益和低副瓣需求确定阵元数量和阵列排布,因阵元数量较大,选择泰勒综合法进行阵列分布。并建立小型参数提取模型,将阵列口径分布转化为缝隙结构参数分布,完成天线设计。仿真结果表明,94GHz脊波导缝隙天线最大增益32.17d B,副瓣电平可达-25.3d B,220GHz脊波导缝隙天线最大增益32.7d B,副瓣电平可达-18.1d B,均满足高增益低副瓣要求。(3)阵列馈电设计介绍分析了单层和多层馈电方式。94GHz天线采用耦合波导中心馈电,着重分析优化了馈电口处辐射波导的脊上耦合缝隙宽度,最终在94GHz实现良好匹配,驻波比为1.27,工作频带为93.3GHz-94.5GHz,带宽较窄。出于优化带宽的考虑,220GHz天线采用波导功分网络中心馈电。波导功分器通过3层H面波导T型结级联而成,通过仿真优化,工作频带为205.2GHz-230GHz,改善了带宽性能。两款不同频段天线的设计验证了设计方法的普适性。


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