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低频段MEMS微带分形天线研究

陈永忠  
【摘要】:现代战争是信息战、立体战,其重要的支撑技术之一就是空中通信节点技术。传统的空中通信节点装备由于体积大、重量重,会影响载体携带的载荷,对飞行器提出了很高的要求。显著的例子是:安装在载体外部的由传统工艺设计制造的天线,由于体积比较大,对飞行产生了较大的不利影响。而且传统的以聚四氟乙烯为基底的天线不能满足远距离、大功率发射要求。 基于微机电系统(MicroElectro-Mechanical-systems,MEMS)技术制造的以硅材料为基底的微带天线,能与通信前端集成,尺寸大大减小,能够满足空中点对点通信的大功率发射要求,空中通信设备的体积,重量也大大减小了,而且在功能、物理性能、制造成本等方面都拥有无可比拟优势,是未来天线发展的趋势。本文在运用分形天线技术、缺陷地构技术等最新研究成果的基础上对所设计的L波段微带天线做了小型化、多频化的创新设计,较好地解决了MEMS微带天线小型化的问题,更好的满足了空中通信设备的要求,其综合战斗力能够明显提高。MEMS技术应用于微带天线的设计,尤其在高频段可以加工出尺寸非常小而且性能高的微带天线。但是传统的低频段矩形微带天线尺寸较大,应用MEMS技术加工有较大局限。针对MEMS加工工艺及硅材料的规格限制与低频段波长长,天线单元尺寸以及微带天线阵列阵元间距大的矛盾,本文主要做了以下工作: 1.分析了微带天线的基底材料以及不同馈电方式对天线性能的影响,设计了硅--二氧化硅(石英玻璃)双层介质基底、新型共面耦合馈电的馈电方式; 2.利用HFSS软件进行了L波段MEMS微带分形天线设计仿真,二单元微带分形天线阵列谐振频率为1.93GHz,单元尺寸为27×27mm; 3.设计了一种新型缺陷地构应用于降低天线阵元间的耦合,使MEMS微带分形天线阵列单元间距缩小到0.388λ0,增益达到6.3dB; 4.设计了一种在微带天线下方地板上开槽的新方法用于拓展天线带宽,使MEMS微带分形天线阵列带宽拓展到约110MHz,各项性能指标达到项目要求; 5.最后分析讨论了L波段MEMS微带分形天线阵列的功率容量及多频特性,本文设计的引入了新型缺陷地构的微带分形天线阵列在L、C、X的多个频段谐振,有可能实现L、C、X多个频段共用一个天线,从而实现极大的集成化,小型化,而且可以满足较大功率容量的要求。


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