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基于人工表面等离激元与共面带状线的端射天线的研究与设计

江扬斌  
【摘要】:人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)是一种在周期性金属表面激励起的具有色散特性的表面波,有很强的场束缚性。本文结合SSPPs和共面带状线(Coplanar Stripline,CPS)的理论基础,研究设计了多个端射天线和阵列,主要内容概括如下:(1)设计了一个基于SSPPs的宽带端射天线。SSPPs由偶极子型单元组成,由于引入了一个相位翻转交叉结构,常规型SSPPs天线被分割成了两段只有一半长度的SSPPs,同时组成了一个二元阵列。由于增加了额外相位,改进型SSPPs天线的端射定向性得到了增强,实现了4到8GHz的带宽,相对带宽为67%,实测最大端射增益达到7.9d Bi。(2)设计了一个基于SSPPs的宽带高增益毫米波端射天线。因为有限大接地平面的反射作用,单边褶皱表面天线辐射的端射波束会向上倾斜。本章设计的SSPPs端射天线由单一金属条带两边的两个对称的褶皱表面组成,而馈电网络由一个功分器和两个L型槽构成,能在两个褶皱表面同时激励起同向的法向电场和相反的切向电场,通过开口槽转换结构,褶皱表面能激励起两个同向的切向磁流。因此,两个褶皱表面能合成无倾斜角的端射波束。所设计的SSPPs天线实现了30到50GHz的带宽,相对带宽为50%,最大增益达到16d Bi。(3)设计了一个简易的CPS端射天线。当两端短路的CPS是一个波导波长时,两条短路边的电流方向相反,通过选择自由空间中半波长的条件,从而使两条短路边构成简单的二元端射阵。设计的CPS天线工作在6.32GHz,最大增益4.02d Bi。(4)为了提高天线的端射定向性,在(3)的基础上设计了一个由相位翻转交叉结构级联的6单元常规端射阵列。相位翻转交叉结构可以等效为电偶极子,同时为传输线增加180度的相位差,从而使所设计的阵列单元之间相位差为180度。常规阵列工作在6.45GHz,最大增益为7.94d Bi。(5)由于常规型阵列的定向性并非最大,在(4)的基础上引入了Hansen-Woodyard条件,设计了一个定向性更大的6元阵列,同时利用一个微带线-共面带状线转换巴伦和一节四分之一波长阻抗变换段进一步拓展了阵列的工作带宽。所设计的定向性增强阵列工作在5.68到7.54GHz,相对带宽为28%,最大增益为12.8d Bi。本文设计的天线都经过理论分析和仿真、实测验证,具有低剖面、易集成的特点。


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